為什麼雙重檢查鎖模式需要 volatile ？
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
雙重檢查鎖定（Double check locked）模式經常會出現在一些框架源碼中，目的是為了延遲初始化變數。這個模式還可以用來創建單例。下面來看一個 Spring 中雙重檢查鎖定的例子。
這個例子中需要將配置文件載入到 handlerMappings中，由於讀取資源比較耗時，所以將動作放到真正需要 handlerMappings 的時候。我們可以看到 handlerMappings 前面使用了volatile 。有沒有想過為什麼一定需要 volatile？雖然之前了解了雙重檢查鎖定模式的原理，但是卻忽略變數使用了 volatile。
下面我們就來看下這背後的原因。
錯誤的延遲初始化例子
想到延遲初始化一個變數，最簡單的例子就是取出變數進行判斷。
這個例子在單執行緒環境交易正常運行，但是在多執行緒環境就有可能會拋出空指針異常。為了防止這種情況，我們需要使用 synchronized 。這樣該方法在多執行緒環境就是安全的，但是這麼做就會導致每次調用該方法獲取與釋放鎖，開銷很大。
深入分析可以得知只有在初始化的變數的需要真正加鎖，一旦初始化之後，直接返回對象即可。
所以我們可以將該方法改造以下的樣子。
這個方法首先判斷變數是否被初始化，沒有被初始化，再去獲取鎖。獲取鎖之後，再次判斷變數是否被初始化。第二次判斷目的在於有可能其他執行緒獲取過鎖，已經初始化改變數。第二次檢查還未通過，才會真正初始化變數。
這個方法檢查判定兩次，並使用鎖，所以形象稱為雙重檢查鎖定模式。
這個方案縮小鎖的範圍，減少鎖的開銷，看起來很完美。然而這個方案有一些問題卻很容易被忽略。
new 實例背後的指令
這個被忽略的問題在於 Cache cache=new Cache() 這行程式碼並不是一個原子指令。使用 javap -c指令，可以快速查看位元組碼。
// 創建 Cache 對象實例，分配記憶體 0: new #5 // class com/query/Cache // 複製棧頂地址，並再將其壓入棧頂 3: dup // 調用構造器方法，初始化 Cache 對象 4: invokespecial #6 // Method "<init>":()V // 存入局部方法變數表 7: astore_1從位元組碼可以看到創建一個對象實例，可以分為三步：
- 分配對象記憶體
- 調用構造器方法，執行初始化
- 將對象引用賦值給變數。
虛擬機實際運行時，以上指令可能發生重排序。以上程式碼 2,3 可能發生重排序，但是並不會重排序 1 的順序。也就是說 1 這個指令都需要先執行，因為 2,3 指令需要依託 1 指令執行結果。
Java 語言規規定了執行緒執行程式時需要遵守 intra-thread semantics。intra-thread semantics 保證重排序不會改變單執行緒內的程式執行結果。這個重排序在沒有改變單執行緒程式的執行結果的前提下，可以提高程式的執行性能。
雖然重排序並不影響單執行緒內的執行結果，但是在多執行緒的環境就帶來一些問題。
上面錯誤雙重檢查鎖定的示例程式碼中，如果執行緒 1 獲取到鎖進入創建對象實例，這個時候發生了指令重排序。當執行緒1 執行到 t3 時刻，執行緒 2 剛好進入，由於此時對象已經不為 Null，所以執行緒 2 可以自由訪問該對象。然後該對象還未初始化，所以執行緒 2 訪問時將會發生異常。
volatile 作用
正確的雙重檢查鎖定模式需要需要使用 volatile。volatile主要包含兩個功能。
- 保證可見性。使用
volatile定義的變數，將會保證對所有執行緒的可見性。 - 禁止指令重排序優化。
由於 volatile 禁止對象創建時指令之間重排序，所以其他執行緒不會訪問到一個未初始化的對象，從而保證安全性。
注意，
volatile禁止指令重排序在 JDK 5 之後才被修復
使用局部變數優化性能
重新查看 Spring 中雙重檢查鎖定程式碼。
可以看到方法內部使用局部變數，首先將實例變數值賦值給該局部變數，然後再進行判斷。最後內容先寫入局部變數，然後再將局部變數賦值給實例變數。
使用局部變數相對於不使用局部變數，可以提高性能。主要是由於 volatile 變數創建對象時需要禁止指令重排序，這就需要一些額外的操作。
總結
對象的創建可能發生指令的重排序，使用 volatile 可以禁止指令的重排序，保證多執行緒環境內的系統安全。
