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：
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：
迟初始化。示例代码如下：
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：
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。
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：
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：
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，线程b接下来将访问instance引用的对象。此时，线程b将会访问到一个还未初始化的对象。
在知晓了问题发生的根源之后，我们可以想出两个办法来实现线程安全的延迟初始化：
不允许2和3重排序；
允许2和3重排序，但不允许其他线程“看到”这个重排序。
后文介绍的两个解决方案，分别对应于上面这两点。
对于前面的基于双重检查锁定来实现延迟初始化的方案（指doublecheckedlocking示例代码），我们只需要做一点小的修改（把instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。请看下面的示例代码：
注意，这个解决方案需要jdk5或更高版本（因为从jdk5开始使用新的jsr-133内存模型规范，这个规范增强了volatile的语义）。
当声明对象的引用为volatile后，“问题的根源”的三行伪代码中的2和3之间的重排序，在多线程环境中将会被禁止。上面示例代码将按如下的时序执行：
这个方案本质上是通过禁止上图中的2和3之间的重排序，来保证线程安全的延迟初始化。
jvm在类的初始化阶段（即在class被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，jvm会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。
基于这个特性，可以实现另一种线程安全的延迟初始化方案（这个方案被称之为initialization on demand holder idiom）：
假设两个线程并发执行getinstance()，下面是执行的示意图：
这个方案的实质是：允许“问题的根源”的三行伪代码中的2和3重排序，但不允许非构造线程（这里指线程b）“看到”这个重排序。
初始化一个类，包括执行这个类的静态初始化和初始化在这个类中声明的静态字段。根据java语言规范，在首次发生下列任意一种情况时，一个类或接口类型t将被立即初始化：
t是一个类，而且一个t类型的实例被创建；
t是一个类，且t中声明的一个静态方法被调用；
t中声明的一个静态字段被赋值；
t中声明的一个静态字段被使用，而且这个字段不是一个常量字段；
t是一个顶级类（top level class，见java语言规范的§7.6），而且一个断言语句嵌套在t内部被执行。
在instancefactory示例代码中，首次执行getinstance()的线程将导致instanceholder类被初始化（符合情况4）。
由于java语言是多线程的，多个线程可能在同一时间尝试去初始化同一个类或接口（比如这里多个线程可能在同一时刻调用getinstance()来初始化instanceholder类）。因此在java中初始化一个类或者接口时，需要做细致的同步处理。
java语言规范规定，对于每一个类或接口c，都有一个唯一的初始化锁lc与之对应。从c到lc的映射，由jvm的具体实现去自由实现。jvm在类初始化期间会获取这个初始化锁，并且每个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化过了（事实上，java语言规范允许jvm的具体实现在这里做一些优化，见后文的说明）。
对于类或接口的初始化，java语言规范制定了精巧而复杂的类初始化处理过程。java初始化一个类或接口的处理过程如下（这里对类初始化处理过程的说明，省略了与本文无关的部分；同时为了更好的说明类初始化过程中的同步处理机制，笔者人为的把类初始化的处理过程分为了五个阶段）：
第一阶段：通过在class对象上同步（即获取class对象的初始化锁），来控制类或接口的初始化。这个获取锁的线程会一直等待，直到当前线程能够获取到这个初始化锁。
假设class对象当前还没有被初始化（初始化状态state此时被标记为state = noinitialization），且有两个线程a和b试图同时初始化这个class对象。下面是对应的示意图：
下面是这个示意图的说明：
a1:尝试获取class对象的初始化锁。这里假设线程a获取到了初始化锁
b1:尝试获取class对象的初始化锁，由于线程a获取到了锁，线程b将一直等待获取初始化锁
a2：线程a看到线程还未被初始化（因为读取到state == noinitialization），线程设置state = initializing
a3：线程a释放初始化锁
第二阶段：线程a执行类的初始化，同时线程b在初始化锁对应的condition上等待：
a1:执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段
b1：获取到初始化锁
b2：读取到state == initializing
b3：释放初始化锁
b4：在初始化锁的condition中等待
第三阶段：线程a设置state = initialized，然后唤醒在condition中等待的所有线程：
a1：获取初始化锁
a2：设置state = initialized
a3：唤醒在condition中等待的所有线程
a4：释放初始化锁
a5：线程a的初始化处理过程完成
第四阶段：线程b结束类的初始化处理：
b1：获取初始化锁
b2：读取到state == initialized
b4：线程b的类初始化处理过程完成
线程a在第二阶段的a1执行类的初始化，并在第三阶段的a4释放初始化锁；线程b在第四阶段的b1获取同一个初始化锁，并在第四阶段的b4之后才开始访问这个类。根据java内存模型规范的锁规则，这里将存在如下的happens-before关系：
这个happens-before关系将保证：线程a执行类的初始化时的写入操作（执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段），线程b一定能看到。
第五阶段：线程c执行类的初始化的处理：
c1：获取初始化锁
c2：读取到state == initialized
c3：释放初始化锁
c4：线程c的类初始化处理过程完成
在第三阶段之后，类已经完成了初始化。因此线程c在第五阶段的类初始化处理过程相对简单一些（前面的线程a和b的类初始化处理过程都经历了两次锁获取-锁释放，而线程c的类初始化处理只需要经历一次锁获取-锁释放）。
线程a在第二阶段的a1执行类的初始化，并在第三阶段的a4释放锁；线程c在第五阶段的c1获取同一个锁，并在在第五阶段的c4之后才开始访问这个类。根据java内存模型规范的锁规则，这里将存在如下的happens-before关系：
这个happens-before关系将保证：线程a执行类的初始化时的写入操作，线程c一定能看到。
※注1：这里的condition和state标记是本文虚构出来的。java语言规范并没有硬性规定一定要使用condition和state标记。jvm的具体实现只要实现类似功能即可。
※注2：java语言规范允许java的具体实现，优化类的初始化处理过程（对这里的第五阶段做优化），具体细节参见java语言规范的12.4.2章。
通过对比基于volatile的双重检查锁定的方案和基于类初始化的方案，我们会发现基于类初始化的方案的实现代码更简洁。但基于volatile的双重检查锁定的方案有一个额外的优势：除了可以对静态字段实现延迟初始化外，还可以对实例字段实现延迟初始化。
延迟初始化降低了初始化类或创建实例的开销，但增加了访问被延迟初始化的字段的开销。在大多数时候，正常的初始化要优于延迟初始化。如果确实需要对实例字段使用线程安全的延迟初始化，请使用上面介绍的基于volatile的延迟初始化的方案；如果确实需要对静态字段使用线程安全的延迟初始化，请使用上面介绍的基于类初始化的方案。
<a href="http://www.ibm.com/developerworks/java/library/j-dcl/index.html">double-checked locking and the singleton pattern</a>
<a href="http://211.136.10.52/videoplayer/jls7.pdf?ich_u_r_i=65c11c3170e6035516bc2b5112b8d474&ich_s_t_a_r_t=0&ich_e_n_d=0&ich_k_e_y=1345098923751563362465&ich_t_y_p_e=1&ich_d_i_s_k_i_d=2&ich_u_n_i_t=1">the java language specification, java se 7 edition</a>
<a href="http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memorymodel/jsr133.pdf">jsr-133: java memory model and thread specification</a>
<a href="http://www.amazon.com/java-concurrency-practice-brian-goetz/dp/0321349601/ref=pd_sim_b_1">java concurrency in practice</a>
<a href="http://www.amazon.com/effective-java-2nd-joshua-bloch/dp/0321356683/ref=sr_11_1?ie=utf8&qid=1231898916&sr=11-1">effective java (2nd edition)</a>
<a href="http://www.cs.umd.edu/users/pugh/java/memorymodel/jsr-133-faq.html">jsr 133 (java memory model) faq</a>
<a href="http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html">the jsr-133 cookbook for compiler writers</a>
<a href="http://www.ibm.com/developerworks/java/library/j-jtp03304/index.html">java theory and practice: fixing the java memory model, part 2</a>