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Effective Java - Use lazy initialization judiciously

Problem

這個Item是在探討使用Lazy initialization的時機與方法,而在多執行緒存取的時,較容易發生問題。如以下程式要初始化一個Singleton物件,但在多執行緒的情況下,Client可能會拿到不是唯一的instance:
public class Singleton {
 
	private static Singleton instance;
 
	public static Singleton get() {
		if( instance == null ) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

Single-check idiom

第一個方法是基於原本問題的改良,適用於能接受重複初始化,會比問題程式碼效能稍微好一些。
public class Singleton {
 
	private static volatile Singleton instance;
 
	public static Singleton get() {
		Singleton result = instance;
		if( result == null ) {
			result = instance = new Singleton();
		}
		return result;
	}
}
這裡用result local variable的原因,是為了要讓instance變數在已初始化情況下只存取一次;這是由於volatile宣告會強制Thread在使用instance時,去讀取最新的資料。根據作者所說,效能會差1.4倍。

Normal Initialization

在一般情況下,因為JVM ClassLoader載入類別是Thread-Safe,直接使用以下方法就不會有Multi-thread的問題:
private final static Singleton instance = new Singleton();
但如果初始化這個物件的效能成本很大,希望能等到有使用到才初始化,就不適用這種做法。

Synchronized Method

針對要做延遲初始化又要Thread-Safe,我年輕時且目前看到最多人使用的寫法如下:
public synchronized static Singleton get() {
//...
}
這做法的缺點就是在初始化之後,每一個Thread要存取時,都會受到這個synchronized的影響而慢一點。

Double-check idiom

雙重檢查鎖定模式的做法,能解決使用Synchronized Method效能的問題,又能確保只會初始化一次:
public class Singleton {
 
	private static Singleton instance;
 
	public static Singleton get() {
		Singleton result = instance;
		if( result != null ) { // no locking
			return result;
		}
 
		synchronized(Singleton.class) {
			result = instance;
			if( result != null ) { // with locking
				return result;
			}
 
			result = instance = new Singleton();
 
		}
		return result;
	}
}
第一次的instance檢查不會受lock控管,只要在第一次初始化後,就能夠使用;第二次的instance檢查是為了避免Multi-thread情況下,重複初始化的問題。這個方法適用於非static的欄位,我是都以static當例子較簡單。(我的程式碼與effective java有落差,因為我認為書內的程式在with locking的檢查並沒assign instance給result,一定會有問題)

Lazy initialization holder class idiom

Lazy initialization holder class的做法,之前在第二版的時候並沒有特別注意,直到我看Java高併發編程詳解:多線程與架構設計這本書時,才意會到這寫法使用在static欄位初始化會比double-check idiom方式簡單很多。程式碼如下:
public final class Singleton {
	private static class Holder {
		static final Singleton instance = new Singleton();
	}
 
	public static Singleton get() {
		return Holder.instance;
	}
}
這一樣是透過ClassLoader載入Class Thread-Safe的機制,來解決同步存取的問題。目前這是要初始化static欄位的首選。

Enum method

這方法是看Java高併發編程詳解:多線程與架構設計這本書時,有提到透過Enum去解這問題是Effective Java作者力推的方法,在Item89有提及。在這我就稍微說明Enum method的做法:
public enum Singleton {
 
	INSTANCE;
 
	public static Singleton get() {
		return INSTANCE;
	}
}
Enum擁有Thread-safe、只能被初始化一次且不能夠被繼承的特性;缺點就是無法做Lazy initialization,要解決這問題可以與Holder方式結合。但與其這樣,不如使用Holder就好。

Reference:

  1. Effective Java, 3/e, Item 83。
  2. Effective Java, 2/e
  3. Java高併發編程詳解:多線程與架構設計, 汪文君
  4. 雙重檢查鎖定模式

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