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为什么双重检查锁模式需要volatile?

文章目录

  • ​​1.双重检查锁定​​
  • ​​2.错误的延迟初始化例子​​
  • ​​3.new 实例背后的指令​​
  • ​​4.volatile作用​​
  • ​​5.使用局部变量优化性能​​
  • ​​6.总结​​

1.双重检查锁定

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。

为什么双重检查锁模式需要volatile?

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。

2.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。

为什么双重检查锁模式需要volatile?

这个例子在单线程环境交易正常运行,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调用该方法获取与释放锁,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。

为什么双重检查锁模式需要volatile?

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。

3.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。

// 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。

为什么双重检查锁模式需要volatile?

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。

4.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

5.使用局部变量优化性能

重新查看 Spring 中双重检查锁定代码。

为什么双重检查锁模式需要volatile?

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。

6.总结