Sealyu

在 水木上看到一篇分析DCL（雙檢測(cè)鎖定-Double Checked Lock）安全性的文章。記得以前也討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題，但是為什么DCL也存在隱患，至今沒(méi)弄明白，這篇分析做了比較詳盡的解釋?zhuān)爬ㄆ饋?lái)原因有兩點(diǎn)：一是 因?yàn)榫幾g器或者處理器并不是嚴(yán)格按照程序順序進(jìn)行指令調(diào)度。二是java中同步機(jī)制的存在。

原文來(lái)自：

發(fā)信人: wyxzellux (I still believe...), 信區(qū): Java
標(biāo)  題: Singleton模式與雙檢測(cè)鎖定(DCL)
發(fā)信站: 水木社區(qū) (Mon Apr  7 23:42:14 2008), 站內(nèi)

看OOP教材時(shí)，提到了一個(gè)雙檢測(cè)鎖定(Double-Checked Lock, DCL)的問(wèn)題，但是書(shū)上沒(méi)有多介紹，只是說(shuō)這是一個(gè)和底層內(nèi)存機(jī)制有關(guān)的漏洞。查閱了下相關(guān)資料，對(duì)這個(gè)問(wèn)題大致有了點(diǎn)了解。
從頭開(kāi)始說(shuō)吧。
在多線程的情況下Singleton模式會(huì)遇到不少問(wèn)題，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子

   1:  class Singleton {      
   2:      private static Singleton instance = null;      
   3:        
   4:      public static Singleton instance() {      
   5:          if (instance == null) {      
   6:              instance = new Singleton();      
   7:          }      
   8:          return instance;    
   9:      }    
   10:  }
  
假 設(shè)這樣一個(gè)場(chǎng)景，有兩個(gè)線程調(diào)用Singleton.instance()，首先線程一判斷instance是否等于null，判斷完后一瞬間虛擬機(jī)把線 程二調(diào)度為運(yùn)行線程，線程二再次判斷instance是否為null，然后創(chuàng)建一個(gè)Singleton實(shí)例，線程二的時(shí)間片用完后，線程一被喚醒，接下來(lái) 它執(zhí)行的代碼依然是instance = new Singleton();
兩次調(diào)用返回了不同的對(duì)象，出現(xiàn)問(wèn)題了。

最簡(jiǎn)單的方法自然是在類(lèi)被載入時(shí)就初始化這個(gè)對(duì)象：private static Singleton instance = new Singleton();

JLS(Java Language Specification)中規(guī)定了一個(gè)類(lèi)只會(huì)被初始化一次，所以這樣做肯定是沒(méi)問(wèn)題的。

但是如果要實(shí)現(xiàn)延遲初始化(Lazy initialization)，比如這個(gè)實(shí)例初始化時(shí)的參數(shù)要在運(yùn)行期才能確定，應(yīng)該怎么做呢？

依然有最簡(jiǎn)單的方法：使用synchronized關(guān)鍵字修飾初始化方法：

    public synchronized static Singleton instance() {        
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
    
這里有一個(gè)性能問(wèn)題：多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)這個(gè)方法時(shí)，會(huì)因?yàn)橥蕉鴮?dǎo)致每次只有一個(gè)線程運(yùn)行，影響程序性能。而事實(shí)上初始化完畢后只需要簡(jiǎn)單的返回instance的引用就行了。

DCL是一個(gè)“看似”有效的解決方法，先把對(duì)應(yīng)代碼放上來(lái)吧：

    1 :   class Singleton {  
    2 :       private static Singleton instance = null ;  
    3 :      
    4 :       public static Singleton instance() {  
    5 :           if (instance == null ) {
    6 :               synchronized (this) {  
    7 :                   if (instance == null)
    8 :                      instance = new Singleton();
    9 :              }
    10 :          }
    11 :          return instance;
    12 :      }
    13 :  }

用JavaWorld上對(duì)應(yīng)文章的標(biāo)題來(lái)評(píng)論這種做法就是smart, but broken。來(lái)看原因：

Java 編譯器為了提高程序性能會(huì)進(jìn)行指令調(diào)度，CPU在執(zhí)行指令時(shí)同樣出于性能會(huì)亂序執(zhí)行（至少現(xiàn)在用的大多數(shù)通用處理器都是out-of-order的），另 外cache的存在也會(huì)改變數(shù)據(jù)回寫(xiě)內(nèi)存時(shí)的順序[2]。JMM(Java Memory Model, 見(jiàn)[1])指出所有的這些優(yōu)化都是允許的，只要運(yùn)行結(jié)果和嚴(yán)格按順序執(zhí)行所得的結(jié)果一樣即可。

Java假設(shè)每個(gè)線程都跑在自己的處理器 上，享有自己的內(nèi)存，和共享的主存交互。注意即使在單核上這種模型也是有意義的，考慮到cache和寄存器會(huì)保存部分臨時(shí)變量。理論上每個(gè)線程修改自己的 內(nèi)存后，必須立即更新對(duì)應(yīng)的主存內(nèi)容。但是Java設(shè)計(jì)師們認(rèn)為這種約束會(huì)影響程序性能，他們?cè)囍鴦?chuàng)造了一套讓程序跑得更快、但又保證線程之間的交互與預(yù) 期一致的內(nèi)存模型。

synchronized關(guān)鍵字便是其中一把利器。事實(shí)上，synchronized塊的實(shí)現(xiàn)和Linux中的信號(hào)量 (semaphore)還是有區(qū)別的，前者過(guò)程中鎖的獲得和釋放都會(huì)都會(huì)引發(fā)一次Memory Barrier來(lái)強(qiáng)制線程本地內(nèi)存和主存之間的同步。通過(guò)這個(gè)機(jī)制，Java中的同步機(jī)制保證了synchronized塊中指令的原子性 (atomic)。

好了，回過(guò)頭來(lái)看DCL問(wèn)題?？雌饋?lái)訪問(wèn)一個(gè)未同步的instance字段不會(huì)產(chǎn)生什么問(wèn)題，我們?cè)俅蝸?lái)假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景：

線程一進(jìn)入同步塊，執(zhí)行instance = new Singleton(); 線程二剛開(kāi)始執(zhí)行g(shù)etResource();

按照順序的話(huà)，接下來(lái)應(yīng)該執(zhí)行的步驟是 1) 分配新的Singleton對(duì)象的內(nèi)存 2) 調(diào)用Singleton的構(gòu)造器，初始化成員字段 3) instance被賦為指向新的對(duì)象的引用。

前 面說(shuō)過(guò)，編譯器或處理器都為了提高性能都有可能進(jìn)行指令的亂序執(zhí)行，線程一的真正執(zhí)行步驟可能是1) 分配內(nèi)存 2) instance指向新對(duì)象 3) 初始化新實(shí)例。如果線程二在2完成后3執(zhí)行前被喚醒，它看到了一個(gè)不為null的instance，跳出方法體走了，帶著一個(gè)還沒(méi)初始化的 Singleton對(duì)象。

錯(cuò)誤發(fā)生的一種情形就是這樣，關(guān)于更詳細(xì)的編譯器指令調(diào)度導(dǎo)致的問(wèn)題，可以參看這個(gè)網(wǎng)頁(yè) [4]。

[3] 中提供了一個(gè)編譯器指令調(diào)度的證據(jù)

instance = new Singleton(); 這條命令在Symantec JIT中被編譯成

0206106A   mov         eax,0F97E78h
0206106F   call        01F6B210                  ; 分配空間
02061074   mov         dword ptr [ebp],eax       ; EBP中保存了instance的地址

02061077   mov         ecx,dword ptr [eax]       ; 解引用，獲得新的指針地址

02061079   mov         dword ptr [ecx],100h      ; 接下來(lái)四行是inline后的構(gòu)造器
0206107F   mov         dword ptr [ecx+4],200h    
02061086   mov         dword ptr [ecx+8],400h
0206108D   mov         dword ptr [ecx+0Ch],0F84030h

可以看到，賦值完成在初始化之前，而這是JLS允許的。
 
另 一種情形是，假設(shè)線程一安穩(wěn)地完成Singleton對(duì)象的初始化，退出了同步塊，并同步了和本地內(nèi)存和主存。線程二來(lái)了，看到一個(gè)非空的引用，拿走。注 意線程二沒(méi)有執(zhí)行一個(gè)Read Barrier，因?yàn)樗揪蜎](méi)進(jìn)后面的同步塊。所以很有可能此時(shí)它看到的數(shù)據(jù)是陳舊的。

還有很多人根據(jù)已知的幾種提出了一個(gè)又一個(gè)fix的方法，但最終還是出現(xiàn)了更多的問(wèn)題。可以參閱[3]中的介紹。

[5]中還說(shuō)明了即使把instance字段聲明為volatile還是無(wú)法避免錯(cuò)誤的原因。

由此可見(jiàn)，安全的Singleton的構(gòu)造一般只有兩種方法，一是在類(lèi)載入時(shí)就創(chuàng)建該實(shí)例，二是使用性能較差的synchronized方法。

(by ZelluX  http://www.aygfsteel.com/zellux )

參考資料：

[1] Java Language Specification, Second Edition, 第17章介紹了Java中線程和內(nèi)存交互關(guān)系的具體細(xì)節(jié)。
[2] out-of-order與cache的介紹可以參閱Computer System, A Programmer's Perspective的第四、五章。
[3] The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration, http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html
[4] Synchronization and the Java Memory Model, http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpj/jmm.html
[5] Double-checked locking: Clever, but broken, http://www.javaworld.com/javaworld/jw-02-2001/jw-0209-double.html?page=1
[6] Holub on Patterns, Learning Design Patterns by Looking at Code