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看OOP教材時，提到了一個雙檢測鎖定(Double-Checked Lock, DCL)的問題，但是書上沒有多介紹，只是說這是一個和底層內(nèi)存機制有關(guān)的漏洞。查閱了下相關(guān)資料，對這個問題大致有了點了解。
從頭開始說吧。
在多線程的情況下Singleton模式會遇到不少問題，一個簡單的例子
?? 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)這樣一個場景，有兩個線程調(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把線程二調(diào)度為運行線程，線程二再次判斷instance是否為null，然后創(chuàng)建一個Singleton實例，線程二的時間片用完后，線程一被喚醒，接下來它執(zhí)行的代碼依然是instance = new Singleton();
兩次調(diào)用返回了不同的對象，出現(xiàn)問題了。
最簡單的方法自然是在類被載入時就初始化這個對象：private static Singleton instance = new Singleton();
JLS(Java Language Specification)中規(guī)定了一個類只會被初始化一次，所以這樣做肯定是沒問題的。
但是如果要實現(xiàn)延遲初始化(Lazy initialization)，比如這個實例初始化時的參數(shù)要在運行期才能確定，應(yīng)該怎么做呢？
依然有最簡單的方法：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;
??? }
???
這里有一個性能問題：多個線程同時訪問這個方法時，會因為同步而導(dǎo)致每次只有一個線程運行，影響程序性能。而事實上初始化完畢后只需要簡單的返回instance的引用就行了。
DCL是一個“看似”有效的解決方法，先把對應(yīng)代碼放上來吧：
??? 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上對應(yīng)文章的標(biāo)題來評論這種做法就是smart, but broken。來看原因：
Java編譯器為了提高程序性能會進行指令調(diào)度，CPU在執(zhí)行指令時同樣出于性能會亂序執(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的存在也會改變數(shù)據(jù)回寫內(nèi)存時的順序[2]。JMM(Java Memory Model, 見[1])指出所有的這些優(yōu)化都是允許的，只要運行結(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和寄存器會保存部分臨時變量。理論上每個線程修改自己的內(nèi)存后，必須立即更新對應(yīng)的主存內(nèi)容。但是Java設(shè)計師們認為這種約束會影響程序性能，他們試著創(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。事實上，synchronized塊的實現(xiàn)和Linux中的信號量(semaphore)還是有區(qū)別的，前者過程中鎖的獲得和釋放都會都會引發(fā)一次Memory Barrier來強制線程本地內(nèi)存和主存之間的同步。通過這個機制，Java中的同步機制保證了synchronized塊中指令的原子性(atomic)。
好了，回過頭來看DCL問題。看起來訪問一個未同步的instance字段不會產(chǎn)生什么問題，我們再次來假設(shè)一個場景：
線程一進入同步塊，執(zhí)行instance = new Singleton(); 線程二剛開始執(zhí)行g(shù)etResource();
按照順序的話，接下來應(yīng)該執(zhí)行的步驟是 1) 分配新的Singleton對象的內(nèi)存 2) 調(diào)用Singleton的構(gòu)造器，初始化成員字段 3) instance被賦為指向新的對象的引用。
前面說過，編譯器或處理器都為了提高性能都有可能進行指令的亂序執(zhí)行，線程一的真正執(zhí)行步驟可能是1) 分配內(nèi)存 2) instance指向新對象 3) 初始化新實例。如果線程二在2完成后3執(zhí)行前被喚醒，它看到了一個不為null的instance，跳出方法體走了，帶著一個還沒初始化的Singleton對象。
錯誤發(fā)生的一種情形就是這樣，關(guān)于更詳細的編譯器指令調(diào)度導(dǎo)致的問題，可以參看這個網(wǎng)頁 [4]。
[3] 中提供了一個編譯器指令調(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。
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另一種情形是，假設(shè)線程一安穩(wěn)地完成Singleton對象的初始化，退出了同步塊，并同步了和本地內(nèi)存和主存。線程二來了，看到一個非空的引用，拿走。注意線程二沒有執(zhí)行一個Read Barrier，因為它根本就沒進后面的同步塊。所以很有可能此時它看到的數(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又一個fix的方法，但最終還是出現(xiàn)了更多的問題。可以參閱[3]中的介紹。
[5]中還說明了即使把instance字段聲明為volatile還是無法避免錯誤的原因。
由此可見，安全的Singleton的構(gòu)造一般只有兩種方法，一是在類載入時就創(chuàng)建該實例，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
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