水木上看到一篇分析DCL(双检测锁定-Double Checked
Lock)安全性的文章。记得以前也讨论过这个问题,但是为什么DCL也存在隐患,至今没弄明白,这篇分析做了比较详尽的解释,概括起来原因有两点:一是
因为编译器或者处理器并不是严格按照程序顺序进行指令调度。二是java中同步机制的存在。</p>

原文来自:</p>

发信人: wyxzellux (I still believe…), 信区: Java
标 题: Singleton模式与双检测锁定(DCL)
发信站: 水木社区 (Mon Apr 7 23:42:14 2008), 站内

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。<br />
从头开始说吧。<br />
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: }


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。<br />

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。<br />

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?<br />

依然有最简单的方法:使用synchronized关键字修饰初始化方法:<br />

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。<br />

DCL是一个&#8220;看似”有效的解决方法,先把对应代码放上来吧:<br />

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。<br />

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。<br />

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)。<br />

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。<br />


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。<br />

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]。<br />

[3] 中提供了一个编译器指令调度的证据<br />

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

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。<br />


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。<br />

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。<br />

[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。<br />

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。<br />

(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。<br />
[2] out-of-order与cache的介绍可以参阅Computer System, A Programmer’s Perspective的第四、五章。<br />
[3] The “Double-Checked Locking is Broken” Declaration, http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html
[4] Synchronization and the Java Memory Model, http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpj/jmm.html
[5] Double-checked locking: Clever, but broken, http://www.javaworld.com/javaworld/jw-02-2001/jw-0209-double.html?page=1
[6] Holub on Patterns, Learning Design Patterns by Looking at Code

One Response to DCL(双检测锁定-Double Checked Lock)安全性分析(转)
  1. I like to party, not look artlcies up online. You made it happen.


[top]

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