多线程（48）双重检查锁定问题

双重检查锁定（Double-Checked Locking）问题主要发生在尝试通过减少同步的方式来提高代码的执行效率时。这种模式特别适用于单例模式的实现中，因为它旨在减少获取单例实例时的锁竞争。然而，如果没有正确实现，双重检查锁定会导致严重的多线程问题，尤其是在Java语言中。

双重检查锁定模式的基本思想

在双重检查锁定模式中，代码首先检查是否已经创建了实例，如果没有，才进行同步。这样，只有第一次会进行同步，大大减少了锁的开销。

问题根源

在Java中，双重检查锁定的问题是由于Java内存模型（JMM）允许的所谓指令重排序。这意味着在没有足够同步的情况下，写操作的顺序可能与程序代码中的顺序不同。

让我们通过实例来看看错误的双重检查锁定是如何实现的：

java 复制代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) { // 1
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new Singleton(); // 2
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

在上述代码中，看起来似乎我们通过双重检查确保了instance仅被初始化一次。然而，问题在于instance = new Singleton();这行代码实际上可以分解为以下三个步骤：

分配内存空间给Singleton对象。
调用Singleton的构造函数来初始化成员变量，形成实例。
将instance对象引用指向分配的内存空间（此时instance不再是null）。

由于Java内存模型允许指令重排序，步骤2和步骤3的顺序可能会被调换。如果在步骤3之后，另一个线程进入getInstance()方法，它将看到instance不为null并返回instance，但此时instance可能还没有被初始化。

解决方案

Java语言提供了volatile关键字来解决这个问题。将instance变量标记为volatile之后，将阻止指令重排序发生在读和写之间，确保在写instance的操作完成之前，不允许其他线程读取instance变量。

正确的双重检查锁定（Double-Checked Locking）实现如下：

java 复制代码

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

在这个版本中，instance声明为volatile，这保证了instance引用的写操作对于其他线程来说，在对象初始化完成前是不可见的，从而安全地实现了延迟初始化和避免了双重检查锁定问题。

结论

双重检查锁定问题揭示了多线程编程中的一个常见陷阱，即错误地认为多个操作可以安全地在没有足够同步的情况下进行。通过正确使用volatile关键字和同步，我们可以安全地实现双重检查锁定模式，既提高性能又保证线程安全。