双重检查锁单例模式为什么要用volatile关键字?-阿里云开发者社区

开发者社区> Java架构师追风> 正文

双重检查锁单例模式为什么要用volatile关键字?

简介: 双重检查锁单例模式为什么要用volatile关键字?
+关注继续查看

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。
image

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。
image

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。
image

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。
image

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。
image

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。
image

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

欢迎大家一起交流,喜欢文章记得点个赞哟,感谢支持!

版权声明:本文内容由阿里云实名注册用户自发贡献,版权归原作者所有,阿里云开发者社区不拥有其著作权,亦不承担相应法律责任。具体规则请查看《阿里云开发者社区用户服务协议》和《阿里云开发者社区知识产权保护指引》。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容,填写侵权投诉表单进行举报,一经查实,本社区将立刻删除涉嫌侵权内容。

相关文章
Java中的transient,volatile和strictfp关键字
Java中的transient,volatile和strictfp关键字 如果用transient声明一个实例变量,当对象存储时,它的值不需要维持。例如: 1. class T { 2. transient int a; //不需要维持 3. int b; //需要维持 4. } 这里,如果T类的一个对象写入一个持久的存储区域,a的内容不被保存,但b的将被保存。
903 0
Volatile 关键字
多线程同步 volatile 关键字 java虚拟机阅读
704 0
Java进阶笔记——你需要了解的volatile 关键字
  前言 不管是在面试还是实际开发中 volatile 都是一个应该掌握的技能。 首先来看看为什么会出现这个关键字。 内存可见性 由于 Java 内存模型(JMM)规定,所有的变量都存放在主内存中,而每个线程都有着自己的工作内存(高速缓存)。
896 0
在JAVA中使用DCL双检查锁机制实现单例的多线程安全
元旦放假期间学代码,我都感动我自己啦。
1507 0
多步 OLE DB 操作产生错误。如果可能,请检查每个 OLE DB 状态值。没有工作被完成。
C#使用OleDB操作ACCESS插入数据时提示: 多步 OLE DB 操作产生错误。如果可能,请检查每个 OLE DB 状态值。没有工作被完成。 当为Command添加的多个Parameter没有指定值的时候,就会提示此错误信息。
888 0
浅分析Java volatile关键字
浅分析Java volatile关键字     大家好,前不久看了掘金一篇帖子原贴请点链接,那么今天就来给大家分享一下从这篇帖子中学到的volatile以及线程安全相关的知识点。
923 0
c# 设计模式之单例模式学习
c#的设计模式有很多种,当然也可以说语言的设计模式有很多种(23种),单例模式应该是其中最简单的一种,但是不要因为简单而小看他,否则最后后悔的肯定是你 单例模式包括懒汉模式(还有多线程下的锁定)、恶汉模式 下面写一下饿汉模式的实现原理:  public Class Singleton { ...
928 0
+关注
Java架构师追风
欢迎关注公众号:程序员追风。领取一线大厂Java面试题资料。
164
文章
0
问答
文章排行榜
最热
最新
相关电子书
更多
《2021云上架构与运维峰会演讲合集》
立即下载
《零基础CSS入门教程》
立即下载
《零基础HTML入门教程》
立即下载