有關雙檢測鎖定(DCL)和Singleton模式的問題
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存機制有關的漏洞。查閱了下相關資料，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: }
假設這樣一個場景，有兩個線程調用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度為運行線程，線程二再次判斷instance是否為null，然后創建一個Singleton實例，線程二的時間片用完后，線程一被喚醒，接下來它執行的代碼依然是instance = new Singleton();
兩次調用返回了不同的對象，出現問題了。
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。
但是如果要實現延遲初始化(Lazy initialization)，比如這個實例初始化時的參數要在運行期才能確定，應該怎么做呢？
依然有最簡單的方法：使用synchronized關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。
雙檢測鎖定解決方案
DCL是一個“看似”有效的解決方法，先把對應代碼放上來吧：
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上對應文章的標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度，CPU在執行指令時同樣出于性能會亂序執行（至少現在用的大多數通用處理器都是out-of-order的），另外cache的存在也會改變數據回寫內存時的順序[2]。JMM(Java Memory Model, 見[1])指出所有的這些優化都是允許的，只要運行結果和嚴格按順序執行所得的結果一樣即可。
Java假設每個線程都跑在自己的處理器上，享有自己的內存，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存后，必須立即更新對應的主存內容。但是Java設計師們認為這種約束會影響程序性能，他們試著創造了一套讓程序跑得更快、但又保證線程之間的交互與預期一致的內存模型。
synchronized關鍵字便是其中一把利器。事實上，synchronized塊的實現和Linux中的信號量(semaphore)還是有區別的，前者過程中鎖的獲得和釋放都會都會引發一次Memory Barrier來強制線程本地內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)。
雙檢測鎖定的問題
好了，回過頭來看DCL問題。看起來訪問一個未同步的instance字段不會產生什么問題，我們再次來假設一個場景：
線程一進入同步塊，執行instance = new Singleton(); 線程二剛開始執行getResource();
按照順序的話，接下來應該執行的步驟是 1) 分配新的Singleton對象的內存 2) 調用Singleton的構造器，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行，線程一的真正執行步驟可能是1) 分配內存 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。
錯誤發生的一種情形就是這樣，關于更詳細的編譯器指令調度導致的問題，可以參看這個網頁 [4]。
[3] 中提供了一個編譯器指令調度的證據
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。
另一種情形是，假設線程一安穩地完成Singleton對象的初始化，退出了同步塊，并同步了和本地內存和主存。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據是陳舊的。
還有很多人根據已知的幾種提出了一個又一個fix的方法，但最終還是出現了更多的問題。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的構造一般只有兩種方法，一是在類載入時就創建該實例，二是使用性能較差的synchronized方法。
本文來自ZelluX的BlogJava博客《Singleton模式與雙檢測鎖定(DCL) 》一文
參考資料：
[1] Java Language Specification, Second Edition, 第17章介紹了Java中線程和內存交互關系的具體細節。
[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
[4] Synchronization and the Java Memory Model
[5] Double-checked locking: Clever, but broken
[6] Holub on Patterns, Learning Design Patterns by Looking at Code
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