为什么双重检查锁模式需要 volatile ?

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。

DCL.png

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。

errorexample.png

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。

DCLerror.png

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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	// 创建 Cache 对象实例,分配内存
       0: new           #5                  // class com/query/Cache
       // 复制栈顶地址,并再将其压入栈顶
       3: dup
	// 调用构造器方法,初始化 Cache 对象
       4: invokespecial #6                  // Method "<init>":()V
	// 存入局部方法变量表
       7: astore_1

从字节码可以看到创建一个对象实例,可以分为三步:

  1. 分配对象内存
  2. 调用构造器方法,执行初始化
  3. 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。

image.png

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 volatilevolatile主要包含两个功能。

  1. 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。
  2. 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。

DCL.png

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。

帮助文档

双重检查锁定与延迟初始化
有关“双重检查锁定失效”的说明

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