double check 解决单例模式的多线程并发问题

  最近被多线程问题（multi-thread issue）弄昏了头。以前虽然也知道系统里要考虑多线程问题，也无数次见到double-check的代码，但是由于自己碰到这方面的问题基本上就是从其他地方拷贝一份现成的代码，改吧改吧，也一直没有遇到多线程带来的bug，所以就没有留心。知道年前，一份两三个月前写的代码出现了由于多线程带来的bug，最近写的代码在code review中又被师兄批评没有考虑多线程问题，这才专门去补了补这方面的知识，现在就小结一下multi-thread问题以及在其中经常会用到的double-check。

    在一个多线程程序中，如果共享资源同时被多个线程使用，就有可能会造成多线程问题，这主要取决于针对该资源的某项操作是否是线程安全的。例如，.Net中的dictionary就是一个完全线程不安全的数据结构，对于dictionary的插入、删除都有可能带来多线程问题，这主要是由于dictionary的内部实现结构会频繁的由于插入、删除操作而改变长度，这时，如果出现多线程问题，程序最可能抛出数组越界的Exception。特别的，对于WebService来讲，每一个请求都会生成一个thread/instance，因此就要特别注意多线程问题了。

    一般地，多线程问题常常发生于对于共享资源的同时使用。例如，对于类的成员变量的使用，对于全局静态变量的使用，而对于函数内部的局部变量而言，一般式不会存在多线程问题的，因为每个线程在调用一个特定的函数时，都会生成一份函数内部成员变量的副本，线程和线程之间是互不相干的。

    解决多线程问题，最常见的方式就是加锁，使得某一资源在同一时刻只能被一个线程所用，而其他线程则必须在被加锁的代码外等待，直到锁被解除，例如如下c#代码所示：

lock(_lock) 

{

    //do something to the shared resources.

}

    下面说说double-check。

    多线程问题也常常和一种lazy-initialize的设计模式联系在一起。在这里就会慢慢引出double-check。lazy-initialize讲的是，对于一些特别复杂的对象，让程序在第一次调用它的时候再对它进行初始化，而且保证仅仅初始化一次。

    首先想到的设计是这样的：

Class A

{

    private ComplexClass _result = null;

    public ComplexClass GetResult()

    {

         if(_result == null)

         {

              _result = new ComplexClass();

         }

         return _result;

    }

}

    但是这样有一个问题。ComplexClass的构造过程较长的话，当第一个线程还在进行ComplexClass构造的时候，_result可能是null，也可能指向了一个尚未初始化完成的对象。这样，要么两个线程初始化了两次ComplexClass，要么第二个线程会返回一个指向不完整对象的引用。所以，在这里需要用到一个锁，如下所示：

    ComplexClass GetResult()

    {

        lock(_lock)

        {

             if(_result == null)

             {

                  _result = new ComplexClass();

             }

         }         

         return _result;

    }

    这样，虽然多线程的问题解决了，但是每一次需要使用result时都会请求锁，而请求锁对程序的性能是有很大影响的，因此我们在lock的外面再加一层check：

    ComplexClass GetResult()

    {

        if(_result == null)

        {

            lock(_lock)

            {

                 if(_result == null)

                 {

                      _result = new ComplexClass();

                 }

             }  

         }       

         return _result;

    }

    这样，对于所有初始化完成后的请求，就都不用请求锁，而是直接返回_result。

    但是还是存在一点问题。对于一些编程语言来说，_result = new ComplexClass();这句代码会使得_result指向一个部分初始化的对象。也就是说，当线程A在初始化ComplexClass时，线程B有可能会判断_result已经不是null了，而这时其实初始化尚未完成，这时线程B就直接返回了一个部分初始化的对象，会造成程序的崩溃。那么，这个问题怎么解决呢？一般的解决方法是在程序内部再加一个局部变量（标识变量）做一层缓冲：

    ComplexClass GetResult()

    {

        ComplexClass result;

        if(_result == null)

        {

            lock(_lock)

            {

                 if(_result == null)

                 {

                      result = new ComplexClass();

                      _result = result;

                 }

             }  

         }       

         return _result;

    }

这样，上面的问题就彻底解决了～

 

文章来源 http://blog.sina.com.cn/s/blog_597a437101011o66.html