双重检查锁单例模式为什么要用volatile关键字?

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双重检查锁单例模式为什么要用volatile关键字?

Java架构师追风 2019-08-15 19:24:40 浏览177
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前言

从Java内存模型出发,结合并发编程中的原子性、可见性、有序性三个角度分析volatile所起的作用,并从汇编角度大致说了volatile的原理,说明了该关键字的应用场景;在这补充一点,分析下volatile是怎么在单例模式中避免双检锁出现的问题的。

并发编程的3个条件

1、原子性:要实现原子性方式较多,可用synchronized、lock加锁,AtomicInteger等,但volatile关键字是无法保证原子性的;
2、可见性:要实现可见性,也可用synchronized、lock,volatile关键字可用来保证可见性;
3、有序性:要避免指令重排序,synchronized、lock作用的代码块自然是有序执行的,volatile关键字有效的禁止了指令重排序,实现了程序执行的有序性;

双重检查锁定模式

双重检查锁定(Double check locked)模式经常会出现在一些框架源码中,目的是为了延迟初始化变量。这个模式还可以用来创建单例。下面来看一个 Spring 中双重检查锁定的例子。
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这个例子中需要将配置文件加载到 handlerMappings中,由于读取资源比较耗时,所以将动作放到真正需要 handlerMappings的时候。我们可以看到 handlerMappings前面使用了volatile。有没有想过为什么一定需要 volatile?虽然之前了解了双重检查锁定模式的原理,但是却忽略变量使用了 volatile。
下面我们就来看下这背后的原因。

错误的延迟初始化例子

想到延迟初始化一个变量,最简单的例子就是取出变量进行判断。
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这个例子在单线程环境可以正常运行,但是在多线程环境就有可能会抛出空指针异常。为了防止这种情况,我们需要在该方法上使用 synchronized。这样该方法在多线程环境就是安全的,但是这么做就会导致每次方法调用都需要获取与释放锁,开销很大。
深入分析可以得知只有在初始化的变量的需要真正加锁,一旦初始化之后,直接返回对象即可。
所以我们可以将该方法改造以下的样子。
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这个方法首先判断变量是否被初始化,没有被初始化,再去获取锁。获取锁之后,再次判断变量是否被初始化。第二次判断目的在于有可能其他线程获取过锁,已经初始化改变量。第二次检查还未通过,才会真正初始化变量。
这个方法检查判定两次,并使用锁,所以形象称为双重检查锁定模式。
这个方案缩小锁的范围,减少锁的开销,看起来很完美。然而这个方案有一些问题却很容易被忽略。

new 实例背后的指令

这个被忽略的问题在于 Cache cache=new Cache()这行代码并不是一个原子指令。使用 javap -c指令,可以快速查看字节码。
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从字节码可以看到创建一个对象实例,可以分为三步:
分配对象内存
调用构造器方法,执行初始化
将对象引用赋值给变量。
虚拟机实际运行时,以上指令可能发生重排序。以上代码 2,3 可能发生重排序,但是并不会重排序 1 的顺序。也就是说 1 这个指令都需要先执行,因为 2,3 指令需要依托 1 指令执行结果。
Java 语言规规定了线程执行程序时需要遵守 intra-thread semantics。intra-thread semantics 保证重排序不会改变单线程内的程序执行结果。这个重排序在没有改变单线程程序的执行结果的前提下,可以提高程序的执行性能。
虽然重排序并不影响单线程内的执行结果,但是在多线程的环境就带来一些问题。
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上面错误双重检查锁定的示例代码中,如果线程 1 获取到锁进入创建对象实例,这个时候发生了指令重排序。当线程1 执行到 t3 时刻,线程 2 刚好进入,由于此时对象已经不为 Null,所以线程 2 可以自由访问该对象。然后该对象还未初始化,所以线程 2 访问时将会发生异常。

volatile 作用

正确的双重检查锁定模式需要需要使用 volatile。volatile主要包含两个功能。
保证可见性。使用 volatile定义的变量,将会保证对所有线程的可见性。
禁止指令重排序优化。
由于 volatile禁止对象创建时指令之间重排序,所以其他线程不会访问到一个未初始化的对象,从而保证安全性。
注意,volatile禁止指令重排序在 JDK 5 之后才被修复

使用局部变量优化性能

重新查看 Spring 中双重检查锁定代码。
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可以看到方法内部使用局部变量,首先将实例变量值赋值给该局部变量,然后再进行判断。最后内容先写入局部变量,然后再将局部变量赋值给实例变量。
使用局部变量相对于不使用局部变量,可以提高性能。主要是由于 volatile变量创建对象时需要禁止指令重排序,这就需要一些额外的操作。

总结

对象的创建可能发生指令的重排序,使用 volatile可以禁止指令的重排序,保证多线程环境内的系统安全。

最后

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