双重检查锁，原来是这样演变来的，你了解吗
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2021-08-22 00:25
最近在看Nacos的源代码时，发现多处都使用了“双重检查锁”的机制，算是非常好的实践案例。这篇文章就着案例来分析一下双重检查锁的使用以及优势所在，目的就是让你的代码格调更加高一个层次。
同时，基于单例模式，讲解一下双重检查锁的演变过程。
Nacos中的双重检查锁
在Nacos的InstancesChangeNotifier类中，有这样一个方法：
private final Map<String, ConcurrentHashSet<EventListener>> listenerMap = new ConcurrentHashMap<String, ConcurrentHashSet<EventListener>>();
private final Object lock = new Object();
public void registerListener(String groupName, String serviceName, String clusters, EventListener listener) {
String key = ServiceInfo.getKey(NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName), clusters);
ConcurrentHashSet<EventListener> eventListeners = listenerMap.get(key);
if (eventListeners == null) {
synchronized (lock) {
eventListeners = listenerMap.get(key);
if (eventListeners == null) {
eventListeners = new ConcurrentHashSet<EventListener>();
listenerMap.put(key, eventListeners);
}
}
}
eventListeners.add(listener);
}
该方法的主要功能就是对监听器事件进行注册。其中注册的事件都存在成员变量listenerMap当中。listenerMap的数据结构是key为String，value为ConcurrentHashSet的Map。也就是说，一个key对应一个集合。
针对这种数据结构，在多线程的情况下，Nacos处理流程如下：
通过key获取value值； 判断value是否为null； 如果value值不为null，则直接将值添加到Set当中； 如果为null，就需要创建一个ConcurrentHashSet，在多线程时，有可能会创建多个，因此要使用锁。 通过synchronized锁定一个Object对象； 在锁内再获取一次value值，如果依然是null，则进行创建。 进行后续操作。
上述过程，在锁定前和锁定之后，做了两次判断，因此称作”双重检查锁“。使用锁的目的就是避免创建多个ConcurrentHashSet。
Nacos中的实例稍微复杂一下，下面以单例模式中的双重检查锁的演变过程。
未加锁的单例
这里直接演示单例模式的懒汉模式实现：
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
这是一个最简单的单例模式，在单线程下运转良好。但在多线程下会出现明显的问题，可能会创建多个实例。
以两个线程为例：
可以看到，当两个线程同时执行时，是有可能会创建多个实例的，这很明显不符合单例的要求。
加锁单例
针对上述代码的问题，很直观的想到是进行加锁处理，实现代码如下：
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {
}
public synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
与第一个示例唯一的区别是在方法上添加了synchronized关键字。这时，当多个线程进入该方法时，需要先获得锁才能进行执行。
通过在方法上添加synchronized关键字，看似完美的解决了多线程的问题，但却带了性能问题。
我们知道使用锁会导致额外的性能开销，对于上面的单例模式，只有第一次创建时需要锁（防止创建多个实例），但查询时是不需要锁的。
如果针对方法进行加锁，每次查询也要承担加锁的性能损耗。
双重检查锁
针对上面的问题，就有了双重检查锁，示例如下：
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
第一，将锁的范围缩小的方法内；
第二，锁之前先判断一下是不是null，如果不为null，说明已经实例化了，直接返回，没必要进行创建；
第三，如果为null，进行加锁，然后再次判断是否为null。为什么要再次判断？因为一个线程判断为null之后，另外一个线程可能已经创建了对象，所以在锁定之后，需要再次核实一下，真的为null，则进行对象创建。
改进之后，既保证了线程的安全性，又避免了锁导致的性能损失。问题到此结束了吗？并没有，继续往下看。
JVM的指令重排
在某些JVM当中，编译器为了性能问题，会进行指令重排。在上述代码中new Singleton()并不是原子操作，有可能会被编译器进行重排操作。
创建对象可抽象为三步：
memory = allocate(); //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance = memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址
上面操作中，操作2依赖于操作1，但操作3并不依赖于操作2。因此，JVM是可以进行指令重排优化的，可能会出现如下的执行顺序：
memory = allocate(); //1：分配对象的内存空间
instance = memory; //3：instance指向刚分配的内存地址，此时对象还未初始化
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
指令重排之后，将操作3的赋值操作放在了前面，那就会出现一个问题：当线程A执行完步骤赋值操作，但还未执行对象初始化。此时，线程B进来了，在第一层判断时发现Instance已经有值了（实际上还未初始化），直接返回对应的值。那么，程序在使用这个未初始化的值时，便会出现错误。
针对此问题，可在instance上添加volatile关键字，使得instance在读、写操作前后都会插入内存屏障，避免重排序。
最终，单例模式实现如下：
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
至此，一个完善的单例模式实现了。此时，你是否有一个疑问，为什么Nacos中的双重检查锁没有使用volatile关键字呢？
答案很简单：上面单例模式如果出现指令重排，会导致单例实例被使用。那么，再看Nacos的代码，由于创建ConcurrentHashSet并不会影响到查询，而真正影响查询的是listenerMap.put方法，而ConcurrentHashSet本身是线程安全的。因此，也就不会出现线程安全问题，不用使用volatile关键字了。
小结
阅读源码最有意思的一个地方就是可以看到很多经典知识的实践，如果能够深入思考，拓展一下，会获得意想不到的收获。
再回顾一下本文的重点：
阅读Nacos源码，发现双重检查锁的使用； 未加锁单例模式使用，会创建多个对象； 方法上加锁，导致性能下降； 代码内局部加锁，双重判断，既满足线程安全，又满足性能需求； 单例模式特例：创建对象分多步，会出现指令重排现象，采用volatile进行避免指令重排；
最后，想学习更多类似干货，关注一下吧，持续输出。
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