java内存模型-DCL

DCL

DCL（Double-Checked Locking）是一种用于实现线程安全的延迟初始化的技术。在Java中，DCL通常用于单例模式的实现。

DCL的基本思想是通过两次检查锁来实现延迟初始化。在第一次检查时，如果对象已经被初始化了，那么直接返回对象。如果对象尚未被初始化，则进入临界区并获取锁，在临界区中再次检查对象是否被初始化，以确保只有一个线程进行实例化操作。

单例模式

DCL- 重排序

在Java内存模型中，重排序是指编译器和处理器为了提高并行度和性能，可能会对指令的执行顺序进行重新排序。

在DCL（Double-Checked Locking）单例模式中，为了避免多个线程同时创建实例，我们通常会使用双重检查锁定来实现线程安全的单例模式。

然而，由于重排序的存在，DCL单例模式可能会导致线程安全的问题。

在DCL单例模式中，有以下几个步骤：

检查实例是否已经创建，如果已经创建则直接返回实例。
如果实例未创建，则使用同步锁来创建实例。
创建实例后，再次检查实例是否已经创建，如果已经创建则直接返回实例。

在步骤2和步骤3之间，可能会发生重排序。如果重排序发生，可能会导致多个线程同时进入步骤3，从而创建多个实例。

为了解决这个问题，我们需要使用volatile关键字。在使用volatile关键字修饰实例的引用时，会禁止指令重排序。

使用volatile关键字修饰实例引用后，可以确保在多线程环境下，实例的创建和赋值操作是按照顺序进行的，从而避免了重排序导致的线程安全问题。

下面是一个使用volatile关键字修饰的DCL单例模式的示例代码：

public class Singleton {private volatile static Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

在这个示例代码中，我们使用了volatile关键字修饰了instance，确保了步骤3的操作不会发生重排序。这样就避免了线程安全问题。

DCL- happens-beofre

在Java内存模型中，happens-before原则是指如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。

在DCL（双重检查锁）单例模式中，使用了volatile关键字来保证线程安全。volatile关键字具有禁止指令重排序的作用，因此可以保证在DCL中的两次检查操作之间，初始化操作的结果对其他线程可见。

具体来说，在DCL中的happens-before关系如下：

在线程A执行DCL的第一个检查操作时，线程A读取到的volatile变量值会反映在该操作之前的所有操作中。
在线程A执行DCL的第一个检查操作后，如果发现单例对象没有被初始化，线程A会进入同步代码块。在进入同步代码块之前，线程A必须先获取锁。
在线程A获取到锁之后执行的操作会反映在该操作之前的所有操作中，包括第一个检查操作。
在线程A执行初始化操作之前，所有线程对该对象的引用都必须被刷新到主存中，以便其他线程能够看到更新后的值。
在线程A执行初始化操作时，线程A对volatile变量的写入操作会反映在该操作之前的所有操作中。
在线程A执行初始化操作之后，线程A会释放锁，此时所有对该锁的后续获取操作都必须在该操作之前执行。
在线程B执行DCL的第一个检查操作时，线程B读取到的volatile变量值会反映在该操作之前的所有操作中。
在线程B执行DCL的第一个检查操作后，如果发现单例对象已经被初始化，线程B可以直接使用该对象，无需再进入同步代码块。

通过以上happens-before关系，DCL单例模式可以保证在多线程环境下，只会有一个实例被创建，并且对其他线程可见。

解决方案

volatile方案

使用volatile关键字修饰共享变量能够实现如下两个目标：

禁止指令重排序：在Java内存模型中，编译器和处理器为了性能优化会对指令进行重排序。但是，如果不使用volatile关键字修饰共享变量，就有可能导致指令重排序从而破坏DCL的正确性。
强制线程从主内存中读取变量：volatile关键字会强制线程从主内存中读取共享变量的值，而不是从工作内存中读取。这样可以确保线程读取到的是最新的变量值。

使用volatile关键字修饰共享变量的DCL实现如下所示：

public class Singleton {private static volatile Singleton instance;private Singleton() {// private constructor}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {  // 第一次检查synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {  // 第二次检查instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

在上述代码中，instance变量使用volatile关键字修饰，确保线程对instance的读写操作在工作内存和主内存之间保持一致。同时，通过双重检查锁定（double-checked locking）来确保只有第一次调用getInstance()方法时才会创建实例。

需要注意的是，虽然volatile关键字能够解决DCL的一些问题，但并不能完全保证线程安全。实际上，DCL在Java 1.5之前的版本中是无法正确工作的，主要是由于JVM在处理volatile关键字时的实现细节有问题。因此，在Java 1.5之前的版本中，建议使用其他线程安全的单例模式实现方式，如静态内部类单例模式。

基于类初始化的解决方案

基于类初始化的解决方案，也称为静态内部类解决方案，是一种解决DCL问题的方法，它利用了Java的类初始化过程的线程安全性。

具体实现如下：

创建一个私有的静态内部类，该静态内部类持有一个私有静态变量的实例。

public class Singleton {private Singleton() {// 私有化构造方法}private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}public static Singleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

在静态内部类中实例化Singleton对象，并将其赋值给静态变量INSTANCE。
客户端通过调用Singleton.getInstance()方法来获取Singleton的唯一实例。

这种基于类初始化的解决方案可以保证线程安全性，因为在Java中，类的静态初始化阶段会由类加载器来保证线程安全性。当SingletonHolder被加载和初始化时，静态变量INSTANCE也会被创建并初始化，类初始化阶段是单线程执行的，因此可以保证 INSTANCE 的唯一性。

这种解决方案的缺点是在类加载时就实例化了Singleton对象，如果该对象占用较多资源或需要延迟加载，可能会影响应用程序的性能。

总结

DCL（Double-Checked Locking）是一种延迟初始化实例的一种常用模式。其核心思想是，在保证线程安全的前提下，尽可能地减少同步开销，提高程序性能。

在Java内存模型中，使用DCL模式需要注意以下几点：

使用volatile关键字修饰实例变量，确保可见性：在DCL模式中，需要使用volatile关键字修饰实例变量，以确保不同线程对该变量的可见性。通过使用volatile关键字，可以保证所有线程在访问该变量时都能看到最新的值，从而避免出现不一致的情况。
加锁保证多线程安全：在DCL模式中，需要使用synchronized关键字对实例的初始化方法进行加锁，以保证多线程环境下的安全性。只有一个线程能够成功获取该锁，其他线程则需要等待。
双重检查保证实例只被初始化一次：在DCL模式中，使用双重检查的方式保证实例只被初始化一次。首先，通过检查实例是否已经被初始化，避免重复初始化；然后，再通过加锁的方式进行实例的初始化。
使用局部变量提高性能：在DCL模式中，可以使用局部变量保存已经初始化的实例，避免每次获取实例时都加锁。通过使用局部变量，可以提高程序的性能。