雙重檢查鎖定模式

雙重檢查鎖定模式（也被稱為"雙重檢查加鎖優化"，"鎖暗示"（Lock hint）) 是一種軟體設計模式用來減少並發系統中競爭和同步的開銷。雙重檢查鎖定模式首先驗證鎖定條件(第一次檢查)，只有通過鎖定條件驗證才真正的進行加鎖邏輯並再次驗證條件(第二次檢查)。

該模式在某些語言在某些硬體平台的實現可能是不安全的。有的時候，這一模式被看做是反模式。

它通常用於減少加鎖開銷，尤其是為多線程環境中的單例模式實現「惰性初始化」。惰性初始化的意思是直到第一次訪問時才初始化它的值。

## Java中的使用

考慮下面的Java代碼

```java
// Single threaded version
class Foo {
    private Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
        if (helper == null) {
            helper = new Helper();
        }
        return helper;
    }

    // other functions and members...
}
```

這段在使用多線程的情況下無法正常工作。在多個線程同時調用`getHelper()`時，必須要獲取鎖，否則，這些線程可能同時去創建對象，或者某個線程會得到一個未完全初始化的對象。

鎖可以通過代價很高的同步來獲得，就像下面的例子一樣。

```java
// Correct but possibly expensive multithreaded version
class Foo {
    private Helper helper = null;
    public synchronized Helper getHelper() {
        if (helper == null) {
            helper = new Helper();
        }
        return helper;
    }

    // other functions and members...
}
```

只有`getHelper()`的第一次調用需要同步創建對象，創建之後`getHelper()`只是簡單的返回成員變量，而這裡是無需同步的。

由於同步一個方法會降低100倍或更高的性能，每次調用獲取和釋放鎖的開銷似乎是可以避免的：一旦初始化完成，獲取和釋放鎖就顯得很不必要。許多程式設計師以下面這種方式進行優化：

- 檢查變量是否被初始化(不去獲得鎖)，如果已被初始化立即返回這個變量。
- 獲取鎖
- 第二次檢查變量是否已經被初始化：如果其他線程曾獲取過鎖，那麼變量已被初始化，返回初始化的變量。
- 否則，初始化並返回變量。

```java
// 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...
}
```

直覺上，這個演算法看起來像是該問題的有效解決方案。然而，這一技術還有許多需要避免的細微問題。例如，考慮下面的事件序列：

- 線程A發現變量沒有被初始化, 然後它獲取鎖並開始變量的初始化。
- 由於某些程式語言的語義，編譯器生成的代碼允許在線程A執行完變量的初始化之前，更新變量並將其指向部分初始化的對象。
- 線程B發現共享變量已經被初始化，並返回變量。由於線程B確信變量已被初始化，它沒有獲取鎖。如果在A完成初始化之前共享變量對B可見（這是由於A沒有完成初始化或者因為一些初始化的值還沒有覆蓋B使用的記憶體(緩存一致性)），程序很可能會崩潰。

在J2SE 1.4或更早的版本中使用雙重檢查鎖有潛在的危險，有時會正常工作：區分正確實現和有小問題的實現是很困難的。取決於編譯器，線程的調度和其他並發系統活動，不正確的實現雙重檢查鎖導致的異常結果可能會間歇性出現。重現異常是十分困難的。

在J2SE 5.0中，這一問題被修正了。volatile關鍵字保證多個線程可以正確處理單件實例。描述了這一新的語言特性:

```java
// Works with acquire/release semantics for volatile
// Broken under Java 1.4 and earlier semantics for volatile
class Foo {
    private volatile Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
        Helper result = helper;
        if (result == null) {
            synchronized(this) {
                result = helper;
                if (result == null) {
                    helper = result = new Helper();
                }
            }
        }
        return result;
    }

    // other functions and members...
}
```

注意局部變量result的使用看起來是不必要的。對於某些版本的Java虛擬機，這會使代碼提速25%，而對其他的版本則無關痛癢。

如果helper對象是靜態的(每個類只有一個), 可以使用雙重檢查鎖的替代模式惰性初始化模式。查看 上的列表16.6。

```java
// Correct lazy initialization in Java
@ThreadSafe
class Foo {
    private static class HelperHolder {
       public static Helper helper = new Helper();
    }

    public static Helper getHelper() {
        return HelperHolder.helper;
    }
}
```

這是因為內部類直到他們被引用時才會加載。

Java 5中的final語義可以不使用volatile關鍵字實現安全的創建對象：

```java
public class FinalWrapper<T> {
    public final T value;
    public FinalWrapper(T value) {
        this.value = value;
    }
}

public class Foo {
   private FinalWrapper<Helper> helperWrapper = null;

   public Helper getHelper() {
      FinalWrapper<Helper> wrapper = helperWrapper;

      if (wrapper == null) {
          synchronized(this) {
              if (helperWrapper == null) {
                  helperWrapper = new FinalWrapper<Helper>(new Helper());
              }
              wrapper = helperWrapper;
          }
      }
      return wrapper.value;
   }
}
```

為了正確性，局部變量wrapper是必須的。這一實現的性能不一定比使用volatile的性能更高。

## Microsoft Visual C++ 中的使用

如果指針是由C++關鍵字volatile定義的，那麼雙重檢查鎖可以在Visual C++ 2005 或更高版本中實現。Visual C++ 2005 保證volatile變量是一種記憶體屏障，阻止編譯器和CPU重新安排讀入和寫出語義。在先前版本的Visual C++則沒有此類保證。在其他方面將指針定義為volatile可能會影響程序的性能。例如，如果指針定義對代碼的其他地方可見，強制編譯器將指針視為屏障，就會降低程序的性能，這是完全不必要的。

## 參見

- 測試和測試並設置idiom作為底層加鎖機制。
- 按需初始化持有者作為Java中線程安全的替代者。

## 外部連結

- Issues with the double checked locking mechanism captured in Jeu George's Blogs Pure Virtuals
- Implementation of Various Singleton Patterns including the Double Checked Locking Mechanism at TEKPOOL
- "Double Checked Locking" Description from the Portland Pattern Repository
- "Double Checked Locking is Broken" Description from the Portland Pattern Repository
- Paper " C++ and the Perils of Double-Checked Locking" (475 KB) by Scott Meyers and Andrei Alexandrescu
- Article " Double-checked locking: Clever, but broken" by Brian Goetz
- The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration; David Bacon et al.
- Double-checked locking and the Singleton pattern
- Singleton Pattern and Thread Safety
- volatile keyword in VC++ 2005
- Java Examples and timing of double check locking solutions