DCL（双检测锁定-Double Checked Lock）安全性分析(zz)

看OOP教材时，提到了一个双检测锁定(Double-Checked Lock, DCL)的问题，但是书上没有多介绍，只是说这是一个和底层内存机制有关的漏洞。查阅了下相关资料，对这个问题大致有了点了解。

从头开始说吧。

在多线程的情况下Singleton模式会遇到不少问题，一个简单的例子

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
设这样一个场景，有两个线程调用Singleton.instance()，首先线程一判断instance是否等于null，判断完后一瞬间虚拟机把线
程二调度为运行线程，线程二再次判断instance是否为null，然后创建一个Singleton实例，线程二的时间片用完后，线程一被唤醒，接下来
它执行的代码依然是instance = new Singleton();

两次调用返回了不同的对象，出现问题了。

最简单的方法自然是在类被载入时就初始化这个对象：private static Singleton instance = new Singleton();

JLS(Java Language Specification)中规定了一个类只会被初始化一次，所以这样做肯定是没问题的。

但是如果要实现延迟初始化(Lazy initialization)，比如这个实例初始化时的参数要在运行期才能确定，应该怎么做呢？

依然有最简单的方法：使用synchronized关键字修饰初始化方法：

public synchronized static Singleton instance() {

if (instance == null) {

instance = new Singleton();

}

return instance;

}

这里有一个性能问题：多个线程同时访问这个方法时，会因为同步而导致每次只有一个线程运行，影响程序性能。而事实上初始化完毕后只需要简单的返回instance的引用就行了。

DCL是一个“看似”有效的解决方法，先把对应代码放上来吧：

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上对应文章的标题来评论这种做法就是smart, but broken。来看原因：

Java
编译器为了提高程序性能会进行指令调度，CPU在执行指令时同样出于性能会乱序执行（至少现在用的大多数通用处理器都是out-of-order的），另
外cache的存在也会改变数据回写内存时的顺序[2]。JMM(Java Memory Model,
见[1])指出所有的这些优化都是允许的，只要运行结果和严格按顺序执行所得的结果一样即可。

Java假设每个线程都跑在自己的处理器
上，享有自己的内存，和共享的主存交互。注意即使在单核上这种模型也是有意义的，考虑到cache和寄存器会保存部分临时变量。理论上每个线程修改自己的
内存后，必须立即更新对应的主存内容。但是Java设计师们认为这种约束会影响程序性能，他们试着创造了一套让程序跑得更快、但又保证线程之间的交互与预
期一致的内存模型。

synchronized关键字便是其中一把利器。事实上，synchronized块的实现和Linux中的信号量
(semaphore)还是有区别的，前者过程中锁的获得和释放都会都会引发一次Memory
Barrier来强制线程本地内存和主存之间的同步。通过这个机制，Java中的同步机制保证了synchronized块中指令的原子性
(atomic)。

好了，回过头来看DCL问题。看起来访问一个未同步的instance字段不会产生什么问题，我们再次来假设一个场景：

线程一进入同步块，执行instance = new Singleton(); 线程二刚开始执行getResource();

按照顺序的话，接下来应该执行的步骤是 1) 分配新的Singleton对象的内存 2) 调用Singleton的构造器，初始化成员字段 3) instance被赋为指向新的对象的引用。

前
面说过，编译器或处理器都为了提高性能都有可能进行指令的乱序执行，线程一的真正执行步骤可能是1) 分配内存 2) instance指向新对象
3)
初始化新实例。如果线程二在2完成后3执行前被唤醒，它看到了一个不为null的instance，跳出方法体走了，带着一个还没初始化的
Singleton对象。

错误发生的一种情形就是这样，关于更详细的编译器指令调度导致的问题，可以参看这个网页 [4]。

[3] 中提供了一个编译器指令调度的证据

instance = new Singleton(); 这条命令在Symantec JIT中被编译成

0206106A mov eax,0F97E78h

0206106F call 01F6B210 ; 分配空间

02061074 mov dword ptr [ebp],eax ; EBP中保存了instance的地址

02061077 mov ecx,dword ptr [eax] ; 解引用，获得新的指针地址

02061079 mov dword ptr [ecx],100h ; 接下来四行是inline后的构造器

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，赋值完成在初始化之前，而这是JLS允许的。

另
一种情形是，假设线程一安稳地完成Singleton对象的初始化，退出了同步块，并同步了和本地内存和主存。线程二来了，看到一个非空的引用，拿走。注
意线程二没有执行一个Read Barrier，因为它根本就没进后面的同步块。所以很有可能此时它看到的数据是陈旧的。

还有很多人根据已知的几种提出了一个又一个fix的方法，但最终还是出现了更多的问题。可以参阅[3]中的介绍。

[5]中还说明了即使把instance字段声明为volatile还是无法避免错误的原因。

由此可见，安全的Singleton的构造一般只有两种方法，一是在类载入时就创建该实例，二是使用性能较差的synchronized方法。

(by ZelluX http://www.blogjava.net/zellux
)

参考资料：

[1] Java Language Specification, Second Edition, 第17章介绍了Java中线程和内存交互关系的具体细节。