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
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
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。