在Java程序中，有时候可能需要推迟一些高开销的对象初始化操作，并且只有在使用这些对象时才进行初始化。此时，程序员可能会采用延迟初始化。但要正确实现线程安全的延迟初 始化需要一些技巧，否则很容易出现问题。比如，下面是非线程安全的延迟初始化对象的示例代码。

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public class UnsafeLazyInitialization{ 
    private static Instance instance;
     
    public static Instance getInstance() { 
        if (instance == null) // 1：A线程执行 
            instance = new Instance(); // 2：B线程执行     
        return instance; 
    } 
}

在UnsafeLazyInitialization类中，假设A线程执行代码1的同时，B线程执行代码2。此时，线程A可能会看到 instance 引用的对象还没有完成初始化。

对于UnsafeLazyInitialization类，我们可以对getInstance()方法做同步处理来实现线程安全 的延迟初始化。示例代码如下：

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public class SafeLazyInitialization{ 
    private static Instance instance;
     
    public synchronized static Instance getInstance() { 
        if (instance == null) // 1：A线程执行 
            instance = new Instance(); // 2：B线程执行     
        return instance; 
    } 
}

由于对getInstance()方法做了同步处理，synchronized将导致性能开销。如果getInstance()方 法被多个线程频繁的调用，将会导致程序执行性能的下降。

在早期的JVM中，synchronized（甚至是无竞争的synchronized）存在巨大的性能开销。因此， 人们想出了一个“聪明”的技巧：双重检查锁定（Double-Checked Locking）。人们想通过双重检查 锁定来降低同步的开销。下面是使用双重检查锁定来实现延迟初始化的示例代码：

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public class DoubleCheckedLocking { // 1 
    private static Instance instance; // 2 
    public static Instance getInstance() { // 3 
        if (instance == null) { // 4:第一次检查 
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { // 5:加锁 
                if (instance == null) // 6:第二次检查 
                    instance = new Instance(); // 7:问题的根源出在这里 
            } // 8 
        } // 9 
        return instance; // 10 
    } // 11 
}

如上面代码所示，如果第一次检查instance不为null，那么就不需要执行下面的加锁和初始 化操作。因此，可以大幅降低synchronized带来的性能开销。上面代码表面上看起来，似乎两全 其美。

多个线程试图在同一时间创建对象时，会通过加锁来保证只有一个线程能创建对象。

在对象创建好之后，执行getInstance()方法将不需要获取锁，直接返回已创建好的对象。

双重检查锁定看起来似乎很完美，但这是一个错误的优化！在线程执行到第4行，代码读取到instance不为null时，instance引用的对象有可能还没有完成初始化。

问题的根源

前面的双重检查锁定示例代码的第7行（instance=new Singleton();）创建了一个对象。这一 行代码可以分解为如下的3行伪代码。

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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3行伪代码中的2和3之间，可能会被重排序（在一些JIT编译器上，这种重排序是真实 发生的，详情见参考文献1的“Out-of-order writes”部分）。2和3之间重排序之后的执行时序如下。

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memory = allocate(); // 1：分配对象的内存空间 
instance = memory; // 3：设置instance指向刚分配的内存地址 // 注意，此时对象还没有被初始化！ 
ctorInstance(memory); // 2：初始化对象

根据《The Java Language Specification,Java SE 7 Edition》（后文简称为Java语言规范），所有线程在执行Java程序时必须要遵守intra-thread semantics。intra-thread semantics保证重排序不会改变单线程内的程序执行结果。换句话说，intra-thread semantics允许那些在单线程内，不会改 变单线程程序执行结果的重排序。上面3行伪代码的2和3之间虽然被重排序了，但这个重排序 并不会违反intra-thread semantics。这个重排序在没有改变单线程程序执行结果的前提下，可以提高程序的执行性能。

回到本文的主题，DoubleCheckedLocking示例代码的第7行（instance=new Singleton();）如果 发生重排序，另一个并发执行的线程B就有可能在第4行判断instance不为null。线程B接下来将访问instance所引用的对象，但此时这个对象可能还没有被A线程初始化！

解决方案

基于 volatile 的解决方案

对于前面的基于双重检查锁定来实现延迟初始化的方案（指DoubleCheckedLocking示例代 码），只需要做一点小的修改（把instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。

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public class SafeDoubleCheckedLocking { 
    private volatile static Instance instance;
    public static Instance getInstance() { 
        if (instance == null) { 
            synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) { 
                if (instance == null) 
                    instance = new Instance(); // instance为volatile，现在没问题了 
            } 
        }return instance; 
    } 
}

当声明对象的引用为volatile后，本例中的指令重排序在多线程环境中将会被禁止。

基于类初始化的解决方案

JVM在类的初始化阶段（即在Class被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在 执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。 基于这个特性，可以实现另一种线程安全的延迟初始化方案：

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public class InstanceFactory { 
    private static class InstanceHolder { 
        public static Instance instance = new Instance(); 
    }
    public static Instance getInstance() { 
        return InstanceHolder.instance ; // 这里将导致InstanceHolder类被初始化 
    } 
}