双重检查锁定与延迟初始化
在 java 程序中，有时候可能需要推迟一些高开销的对象初始化操作，并且只有在使用这些对象时才进行初始化。此时程序员可能会采用延迟初始化。但要正确实现线程安全的延迟初始化需要一些技巧，否则很容易出现问题。比如，下面是非线程安全的延迟初始化对象的示例代码：
COPYpublic class UnsafeLazyInitialization {
private static Instance instance;
public static Instance getInstance() {
if (instance == null) //1：A 线程执行
instance = new Instance(); //2：B 线程执行
return instance;
}
}
在 UnsafeLazyInitialization 中，假设 A 线程执行代码 1 的同时，B 线程执行代码 2。此时，线程 A 可能会看到 instance 引用的对象还没有完成初始化（出现这种情况的原因见后文的“问题的根源”）。
对于 UnsafeLazyInitialization，我们可以对 getInstance() 做同步处理来实现线程安全的延迟初始化。示例代码如下：
COPYpublic class SafeLazyInitialization {
private static Instance instance;
public synchronized static Instance getInstance() {
if (instance == null)
instance = new Instance();
return instance;
}
}
由于对 getInstance() 做了同步处理，synchronized 将导致性能开销。如果 getInstance() 被多个线程频繁的调用，将会导致程序执行性能的下降。反之，如果 getInstance() 不会被多个线程频繁的调用，那么这个延迟初始化方案将能提供令人满意的性能。
在早期的 JVM 中，synchronized（甚至是无竞争的 synchronized）存在这巨大的性能开销。因此，人们想出了一个“聪明”的技巧：双重检查锁定（double-checked locking）。人们想通过双重检查锁定来降低同步的开销。下面是使用双重检查锁定来实现延迟初始化的示例代码：
COPYpublic class DoubleCheckedLocking { //1
private static Instance instance; //2
public static Instance getInstance() { //3
if (instance == null) { //4: 第一次检查
synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { //5: 加锁
if (instance == null) //6: 第二次检查
instance = new Instance(); //7: 问题的根源出在这里
} //8
} //9
return instance; //10
} //11
} //12
如上面代码所示，如果第一次检查 instance 不为 null，那么就不需要执行下面的加锁和初始化操作。因此可以大幅降低 synchronized 带来的性能开销。上面代码表面上看起来，似乎两全其美：
- 在多个线程试图在同一时间创建对象时，会通过加锁来保证只有一个线程能创建对象。
- 在对象创建好之后，执行 getInstance() 将不需要获取锁，直接返回已创建好的对象。
双重检查锁定看起来似乎很完美，但这是一个错误的优化！在线程执行到第 4 行代码读取到 instance 不为 null 时，instance 引用的对象有可能还没有完成初始化。
问题的根源
前面的双重检查锁定示例代码的第 7 行（instance = new Singleton();）创建一个对象。这一行代码可以分解为如下的三行伪代码：
COPYmemory = allocate(); //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance = memory; //3：设置 instance 指向刚分配的内存地址
上面三行伪代码中的 2 和 3 之间，可能会被重排序（在一些 JIT 编译器上，这种重排序是真实发生的，详情见参考文献 1 的“Out-of-order writes”部分）。2 和 3 之间重排序之后的执行时序如下：
COPYmemory = allocate(); //1：分配对象的内存空间
instance = memory; //3：设置 instance 指向刚分配的内存地址
// 注意，此时对象还没有被初始化！
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
根据《The Java Language Specification, Java SE 7 Edition》（后文简称为 java 语言规范），所有线程在执行 java 程序时必须要遵守 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。换句话来说，intra-thread semantics 允许那些在单线程内，不会改变单线程程序执行结果的重排序。上面三行伪代码的 2 和 3 之间虽然被重排序了，但这个重排序并不会违反 intra-thread semantics。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。
为了更好的理解 intra-thread semantics，请看下面的示意图（假设一个线程 A 在构造对象后，立即访问这个对象）：
如上图所示，只要保证 2 排在 4 的前面，即使 2 和 3 之间重排序了，也不会违反 intra-thread semantics。
下面，再让我们看看多线程并发执行的时候的情况。请看下面的示意图：
由于单线程内要遵守 intra-thread semantics，从而能保证 A 线程的程序执行结果不会被改变。但是当线程 A 和 B 按上图的时序执行时，B 线程将看到一个还没有被初始化的对象。
注：本文统一用红色的虚箭线标识错误的读操作，用绿色的虚箭线标识正确的读操作。
回到本文的主题，DoubleCheckedLocking 示例代码的第 7 行（instance = new Singleton();）如果发生重排序，另一个并发执行的线程 B 就有可能在第 4 行判断 instance 不为 null。线程 B 接下来将访问 instance 所引用的对象，但此时这个对象可能还没有被 A 线程初始化！下面是这个场景的具体执行时序：
| 时间 | 线程 A | 线程 B |
|---|---|---|
| t1 | A1：分配对象的内存空间 | |
| t2 | A3：设置 instance 指向内存空间 | |
| t3 | B1：判断 instance 是否为空 | |
| t4 | B2：由于 instance 不为 null，线程 B 将访问 instance 引用的对象 | |
| t5 | A2：初始化对象 | |
| t6 | A4：访问 instance 引用的对象 |
这里 A2 和 A3 虽然重排序了，但 java 内存模型的 intra-thread semantics 将确保 A2 一定会排在 A4 前面执行。因此线程 A 的 intra-thread semantics 没有改变。但 A2 和 A3 的重排序，将导致线程 B 在 B1 处判断出 instance 不为空