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有關“雙重檢查鎖定失效”的說明

雙重檢查鎖定（以下稱為DCL）已被廣泛當做多線程環境下延遲初始化的一種高效手段。

遺憾的是，在Java中，如果沒有額外的同步，它並不可靠。在其它語言中，如c++，實現DCL，需要依賴於處理器的內存模型、編譯器實行的重排序以及編 譯器與同步庫之間的交互。由於c++沒有對這些做出明確規定，很難說DCL是否有效。可以在c++中使用顯式的內存屏障來使DCL生效，但Java中並沒 有這些屏障。

來看下麵的代碼

01 // Single threaded version
02 class Foo {
03   private Helper helper = null;
04   public Helper getHelper() {
05     if (helper == null)
06         helper = new Helper();
07     return helper;
08     }
09   // other functions and members...
10 }

如果這段代碼用在多線程環境下，有幾個可能出錯的地方。最明顯的是，可能會創建出兩或多個Helper對象。（後麵會提到其它問題）。將getHelper()方法改為同步即可修複此問題。

01 // Correct multithreaded version
02 class Foo {
03   private Helper helper = null;
04   public synchronized Helper getHelper() {
05     if (helper == null)
06         helper = new Helper();
07     return helper;
08     }
09   // other functions and members...
10 }

上麵的代碼在每次調用getHelper時都會執行同步操作。DCL模式旨在消除helper對象被創建後還需要的同步。

01 // Broken multithreaded version
02 // "Double-Checked Locking" idiom
03 class Foo {
04   private Helper helper = null;
05   public Helper getHelper() {
06     if (helper == null)
07       synchronized(this) {
08         if (helper == null)
09           helper = new Helper();
10       }   
11     return helper;
12     }
13   // other functions and members...
14 }

不幸的是，這段代碼無論是在優化型的編譯器下還是在共享內存處理器中都不能有效工作。

不起作用

上麵代碼不起作用的原因有很多。接下來我們先說幾個比較顯而易見的原因。理解這些之後，也許你想找出一種方法來“修複”DCL模式。你的修複也不會起作用：這裏麵有很微妙的原因。在理解了這些原因之後，可能想進一步進行修複，但仍不會正常工作，因為存在更微妙的原因。

很多聰明的人在這上麵花費了很多時間。除了在每個線程訪問helper對象時執行鎖操作別無他法。

不起作用的第一個原因

最顯而易見的原因是，Helper對象初始化時的寫操作與寫入helper字段的操作可以是無序的。這樣的話，如果某個線程調用getHelper()可 能看到helper字段指向了一個Helper對象，但看到該對象裏的字段值卻是默認值，而不是在Helper構造方法裏設置的那些值。

如果編譯器將調用內聯到構造方法中，那麼，如果編譯器能證明構造方法不會拋出異常或執行同步操作，初始化對象的這些寫操作與hepler字段的寫操作之間就能自由的重排序。

即便編譯器不對這些寫操作重排序，在多處理器上，某個處理器或內存係統也可能重排序這些寫操作，運行在其它 處理器上的線程就可能看到重排序帶來的結果。

Doug Lea寫了一篇更詳細的有關編譯器重排序的文章。

展示其不起作用的測試案例

Paul Jakubik找到了一個使用DCL不能正常工作的例子。下麵的代碼做了些許整理：

001 public class DoubleCheckTest
002 {
003    
004  
005   // static data to aid in creating N singletons
006   static final Object dummyObject = new Object(); // for reference init
007   static final int A_VALUE = 256; // value to initialize 'a' to
008   static final int B_VALUE = 512; // value to initialize 'b' to
009   static final int C_VALUE = 1024;
010   static ObjectHolder[] singletons;  // array of static references
011   static Thread[] threads; // array of racing threads
012   static int threadCount; // number of threads to create
013   static int singletonCount; // number of singletons to create
014    
015  
016   static volatile int recentSingleton;
017  
018  
019   // I am going to set a couple of threads racing,
020   // trying to create N singletons. Basically the
021   // race is to initialize a single array of
022   // singleton references. The threads will use
023   // double checked locking to control who
024   // initializes what. Any thread that does not
025   // initialize a particular singleton will check
026   // to see if it sees a partially initialized view.
027   // To keep from getting accidental synchronization,
028   // each singleton is stored in an ObjectHolder
029   // and the ObjectHolder is used for
030   // synchronization. In the end the structure
031   // is not exactly a singleton, but should be a
032   // close enough approximation.
033   //
034  
035  
036   // This class contains data and simulates a
037   // singleton. The static reference is stored in
038   // a static array in DoubleCheckFail.
039   static class Singleton
040     {
041     public int a;
042     public int b;
043     public int c;
044     public Object dummy;
045  
046     public Singleton()
047       {
048       a = A_VALUE;
049       b = B_VALUE;
050       c = C_VALUE;
051       dummy = dummyObject;
052       }
053     }
054  
055   static void checkSingleton(Singleton s, int index)
056     {
057     int s_a = s.a;
058     int s_b = s.b;
059     int s_c = s.c;
060     Object s_d = s.dummy;
061     if(s_a != A_VALUE)
062       System.out.println("[" + index + "] Singleton.a not initialized " +
063 s_a);
064     if(s_b != B_VALUE)
065       System.out.println("[" + index
066                          + "] Singleton.b not intialized " + s_b);
067      
068     if(s_c != C_VALUE)
069       System.out.println("[" + index
070                          + "] Singleton.c not intialized " + s_c);
071      
072     if(s_d != dummyObject)
073       if(s_d == null)
074         System.out.println("[" + index
075                            + "] Singleton.dummy not initialized,"
076                            + " value is null");
077       else
078         System.out.println("[" + index
079                            + "] Singleton.dummy not initialized,"
080                            + " value is garbage");
081     }
082  
083   // Holder used for synchronization of
084   // singleton initialization.
085   static class ObjectHolder
086     {
087     public Singleton reference;
088     }
089  
090   static class TestThread implements Runnable
091     {
092     public void run()
093       {
094       for(int i = 0; i < singletonCount; ++i)
095         {
096     ObjectHolder o = singletons[i];
097         if(o.reference == null)
098           {
099           synchronized(o)
100             {
101             if (o.reference == null) {
102               o.reference = new Singleton();
103           recentSingleton = i;
104           }
105             // shouldn't have to check singelton here
106             // mutex should provide consistent view
107             }
108           }
109         else {
110           checkSingleton(o.reference, i);
111       int j = recentSingleton-1;
112       if (j > i) i = j;
113       }
114         }
115       }
116     }
117  
118   public static void main(String[] args)
119     {
120     if( args.length != 2 )
121       {
122       System.err.println("usage: java DoubleCheckFail" +
123                          " <numThreads> <numSingletons>");
124       }
125     // read values from args
126     threadCount = Integer.parseInt(args[0]);
127     singletonCount = Integer.parseInt(args[1]);
128      
129     // create arrays
130     threads = new Thread[threadCount];
131     singletons = new ObjectHolder[singletonCount];
132  
133     // fill singleton array
134     for(int i = 0; i < singletonCount; ++i)
135       singletons[i] = new ObjectHolder();
136  
137     // fill thread array
138     for(int i = 0; i < threadCount; ++i)
139       threads[i] = new Thread( new TestThread() );
140  
141     // start threads
142     for(int i = 0; i < threadCount; ++i)
143       threads[i].start();
144  
145     // wait for threads to finish
146     for(int i = 0; i < threadCount; ++i)
147       {
148       try
149         {
150         System.out.println("waiting to join " + i);
151         threads[i].join();
152         }
153       catch(InterruptedException ex)
154         {
155         System.out.println("interrupted");
156         }
157       }
158     System.out.println("done");
159     }
160 }

當上述代碼運行在使用Symantec JIT的係統上時，不能正常工作。尤其是，Symantec JIT將

1 singletons[i].reference = new Singleton();

編譯成了下麵這個樣子（Symantec JIT用了一種基於句柄的對象分配係統）。 

0206106A   mov         eax,0F97E78h
0206106F   call        01F6B210                  ; allocate space for
                                                 ; Singleton, return result in eax
02061074   mov         dword ptr [ebp],eax       ; EBP is &singletons[i].reference 
                                                ; store the unconstructed object here.
02061077   mov         ecx,dword ptr [eax]       ; dereference the handle to
                                                 ; get the raw pointer
02061079   mov         dword ptr [ecx],100h      ; Next 4 lines are
0206107F   mov         dword ptr [ecx+4],200h    ; Singleton's inlined constructor
02061086   mov         dword ptr [ecx+8],400h
0206108D   mov         dword ptr [ecx+0Ch],0F84030h

如你所見，賦值給singletons[i].reference的操作在Singleton構造方法之前做掉了。在現有的Java內存模型下這完全是允許的，在c和c++中也是合法的（因為c/c++都沒有內存模型(譯者注：這篇文章寫作時間較久，c++11已經有內存模型了)）。

一種不起作用的“修複”

基於前文解釋的原因，一些人提出了下麵的代碼：

01 // (Still) Broken multithreaded version
02 // "Double-Checked Locking" idiom
03 class Foo {
04   private Helper helper = null;
05   public Helper getHelper() {
06     if (helper == null) {
07       Helper h;
08       synchronized(this) {
09         h = helper;
10         if (h == null)
11             synchronized (this) {
12               h = new Helper();
13             } // release inner synchronization lock
14         helper = h;
15         }
16       }   
17     return helper;
18     }
19   // other functions and members...
20 }

將創建Helper對象的代碼放到了一個內部的同步塊中。直覺的想法是，在退出同步塊的時候應該有一個內存屏障，這會阻止Helper的初始化與helper字段賦值之間的重排序。

很不幸，這種直覺完全錯了。同步的規則不是這樣的。monitorexit（即，退出同步塊）的規則是，在monitorexit前麵的action必須 在該monitor釋放之前執行。但是，並沒有哪裏有規定說monitorexit後麵的action不可以在monitor釋放之前執行。因此，編譯器 將賦值操作helper = h;挪到同步塊裏麵是非常合情合理的，這就回到了我們之前說到的問題上。許多處理器提供了這種單向的內存屏障指令。如果改變鎖釋放的語義 —— 釋放時執行一個雙向的內存屏障 —— 將會帶來性能損失。

更多不起作用的“修複”

可以做些事情迫使寫操作的時候執行一個雙向的內存屏障。這是非常重量級和低效的，且幾乎可以肯定一旦Java內存模型修改就不能正確工作了。不要這麼用。如果對此感興趣，我在另一個網頁上描述了這種技術。不要使用它。

但是，即使初始化helper對象的線程用了雙向的內存屏障，仍然不起作用。

問題在於，在某些係統上，看到helper字段是非null的線程也需要執行內存屏障。

為何？因為處理器有自己本地的對內存的緩存拷貝。在有些處理器上，除非處理器執行一個cache coherence指令（即，一個內存屏障），否則讀操作可能從過期的本地緩存拷貝中取值，即使其它處理器使用了內存屏障將它們的寫操作寫回了內存。

我開了另一個頁麵來討論這在Alpha處理器上是如何發生的。

值得費這麼大勁嗎？

對於大部分應用來說，將getHelper()變成同步方法的代價並不高。隻有當你知道這確實造成了很大的應用開銷時才應該考慮這種細節的優化。

通常，更高級別的技巧，如，使用內部的歸並排序，而不是交換排序（見SPECJVM DB的基準），帶來的影響更大。

讓靜態單例生效

如果你要創建的是static單例對象（即，隻會創建一個Helper對象），這裏有個簡單優雅的解決方案。

隻需將singleton變量作為另一個類的靜態字段。Java的語義保證該字段被引用前是不會被初始化的，且任一訪問該字段的線程都會看到由初始化該字段所引發的所有寫操作。

1 class HelperSingleton {
2     static Helper singleton = new Helper();
3 }

對32位的基本類型變量DCL是有效的

雖然DCL模式不能用於對象引用，但可以用於32位的基本類型變量。注意，DCL也不能用於對long和double類型的基本變量，因為不能保證未同步的64位基本變量的讀寫是原子操作。

01 // Correct Double-Checked Locking for 32-bit primitives
02 class Foo {
03   private int cachedHashCode = 0;
04   public int hashCode() {
05     int h = cachedHashCode;
06     if (h == 0)
07     synchronized(this) {
08       if (cachedHashCode != 0) return cachedHashCode;
09       h = computeHashCode();
10       cachedHashCode = h;
11       }
12     return h;
13     }
14   // other functions and members...
15 }

事實上，如果computeHashCode方法總是返回相同的結果且沒有其它附屬作用時（即，computeHashCode是個冪等方法），甚至可以消除這裏的所有同步。

01 // Lazy initialization 32-bit primitives
02 // Thread-safe if computeHashCode is idempotent
03 class Foo {
04   private int cachedHashCode = 0;
05   public int hashCode() {
06     int h = cachedHashCode;
07     if (h == 0) {
08       h = computeHashCode();
09       cachedHashCode = h;
10       }
11     return h;
12     }
13   // other functions and members...
14 }

用顯式的內存屏障使DCL有效

如果有顯式的內存屏障指令可用，則有可能使DCL生效。例如，如果你用的是C++，可以參考來自Doug Schmidt等人所著書中的代碼：

01 // C++ implementation with explicit memory barriers
02 // Should work on any platform, including DEC Alphas
03 // From "Patterns for Concurrent and Distributed Objects",
04 // by Doug Schmidt
05 template <class TYPE, class LOCK> TYPE *
06 Singleton<TYPE, LOCK>::instance (void) {
07     // First check
08     TYPE* tmp = instance_;
09     // Insert the CPU-specific memory barrier instruction
10     // to synchronize the cache lines on multi-processor.
11     asm ("memoryBarrier");
12     if (tmp == 0) {
13         // Ensure serialization (guard
14         // constructor acquires lock_).
15         Guard<LOCK> guard (lock_);
16         // Double check.
17         tmp = instance_;
18         if (tmp == 0) {
19                 tmp = new TYPE;
20                 // Insert the CPU-specific memory barrier instruction
21                 // to synchronize the cache lines on multi-processor.
22                 asm ("memoryBarrier");
23                 instance_ = tmp;
24         }
25     return tmp;
26 }

用線程局部存儲來修複DCL

Alexander Terekhov (TEREKHOV@de.ibm.com)提出了個能實現DCL的巧妙的做法 —— 使用線程局部存儲。每個線程各自保存一個flag來表示該線程是否執行了同步。

01 class Foo {
02  /** If perThreadInstance.get() returns a non-null value, this thread
03     has done synchronization needed to see initialization
04     of helper */
05      private final ThreadLocal perThreadInstance = new ThreadLocal();
06      private Helper helper = null;
07      public Helper getHelper() {
08          if (perThreadInstance.get() == null) createHelper();
09          return helper;
10      }
11      private final void createHelper() {
12          synchronized(this) {
13              if (helper == null)
14                  helper = new Helper();
15          }
16      // Any non-null value would do as the argument here
17          perThreadInstance.set(perThreadInstance);
18      }
19 }

這種方式的性能嚴重依賴於所使用的JDK實現。在Sun 1.2的實現中，ThreadLocal是非常慢的。在1.3中變得更快了，期望能在1.4上更上一個台階。Doug Lea分析了一些延遲初始化技術實現的性能

在新的Java內存模型下

JDK5使用了新的Java內存模型和線程規範。

用volatile修複DCL

JDK5以及後續版本擴展了volatile語義，不再允許volatile寫操作與其前麵的讀寫操作重排序，也不允許volatile讀操作與其後麵的讀寫操作重排序。更多詳細信息見Jeremy Manson的博客。

這樣，就可以將helper字段聲明為volatile來讓DCL生效。。

01 // Works with acquire/release semantics for volatile
02 // Broken under current semantics for volatile
03 class Foo {
04     private volatile Helper helper = null;
05     public Helper getHelper() {
06         if (helper == null) {
07             synchronized(this) {
08                 if (helper == null)
09                     helper = new Helper();
10             }
11         }
12         return helper;
13     }
14 }

不可變對象的DCL

如果Helper是個不可變對象，那麼Helper中的所有字段都是final的，那麼不使用volatile也能使DCL生效。主要是因為指向不可變對象的引用應該表現出形如int和float一樣的行為；讀寫不可變對象的引用是原子操作。


文章轉自 並發編程網-ifeve.com

最後更新：2017-05-22 17:31:48

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