Jhonney的專欄

前幾天在看一段.NET源代碼的時候偶爾遇到了Double-checked Locking (雙檢鎖)的一個使用，于是想到了以前看過的一些資料，寫出來分享一下。

主要參考：The "Double-Checked Locking is Broken" Delaration (http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html)

雙檢鎖是在多線程環境下很常見的一種實現singleton模式里lazy initialization的方法。

先看一下最這個模式的起源（注：代碼為Java，不過這個問題適用各種語言，比如C++）：

// Single threaded version
class Foo { 
    private Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
    if (helper == null) 
         helper = new Helper();
         return helper;
    }
   // other functions and members...
}

很容易看出，

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于是有下面的改進代碼：

// Correct multithreaded version
class Foo { 
  private Helper helper = null;
  public synchronized Helper getHelper() {
    if (helper == null) 
        helper = new Helper();
    return helper;
    }
  // other functions and members...
}

這樣寫程序不會出錯，教s網~XiH~\D\n因為整個getHelper是一個整體的"critical section"，但就是效率很不好，因為我們的目的其實只是在第一個初始化helper的時候需要locking(加鎖)，而后面取用helper的時候，根本不需要線程同步。

于是聰明的人們想出了下面的做法：

// Broken multithreaded version
// "Double-Checked Locking" idiom
class Foo { 
  private Helper helper = null;
  public Helper getHelper() {
    if (helper == null) 
      synchronized(this) {
        if (helper == null) 
          helper = new Helper();
      }    
    return helper;
    }
  // other functions and members...
}

思路很簡單，就是我們只需要同步（synchronize）初始化helper的那部分代碼從而使代碼既正確又很有效率。

這就是所謂的“雙檢鎖”機制（顧名思義）。

很可惜，這樣的寫法在很多平臺和優化編譯器上是錯誤的。

原因在于：helper = new Helper()這行代碼在不同編譯器上的行為是無法預知的。一個優化編譯器可以合法地如下實現helper = new Helper():

1. helper = 給新的實體分配內存

2. 調用helper的構造函數來初始化helper的成員變量

現在想象一下有線程A和B在調用getHelper，

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當然編譯器也可以這樣實現：

1. temp = 分配內存

2. 調用temp的構造函數

3. helper = temp

如果編譯器的行為是這樣的話我們似乎就沒有問題了，但事實卻不是那么簡單，因為我們無法知道某個編譯器具體是怎么做的，因為在Java的 memory model里對這個問題沒有定義（C++也一樣），而事實上有很多編譯器都是用第一種方法（比如symantec的just-in-time compiler），因為第一種方法看起來更自然。

在上面的參考文章中還提到了更復雜的修改方法，不過很可惜，都是錯誤的，我這里就略去不介紹了。

那么有什么解決方案呢？有如下一些：

1. 如果你的singleton是static的，那你可以將這個singleton申明為一個獨立類的一個成員變量：

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

Java的語意會保證：1. lazy initialization, 2. singleton在被調用前已經完全初始化了。

2. 雙檢鎖對于基礎類型（比如int）適用。很顯然吧，因為基礎類型沒有調用構造函數這一步。事實上，我前面提到的.NET里面的那段代碼就是在一個int變量上使用雙檢鎖。

3. 使用explicit memory barrier。這個我不說了，關于memory barrier我們可以寫一本小冊子來介紹，有興趣的朋友可以自己查一下資料，上面的參考里也有很多相關鏈接。

4. 使用Thread Local Storage。也不介紹了。

上面的文章還提到了Java在考慮為volatile關鍵字定義新的語意來解決這個問題以及雙檢鎖對Java里immutable對象影響，

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