没有 volatile 的惰性初始化/记忆

Question

看来Java内存模型没有定义本地缓存的"refreshing"和"flushing"，人们只是为了简单起见才这样称呼它，但实际上"happens-before" 关系意味着以某种方式刷新和冲洗（如果你能解释这一点会很棒，但不是问题的直接部分）。

这让我很困惑，因为关于 Java Memory Model in the JLS 的部分没有以易于理解的方式编写。

因此，您能否告诉我我在以下代码中所做的假设是否正确，是否因此保证运行正确？

它部分基于 Double-checked locking 上维基百科文章中提供的代码，但是作者使用了包装器 class (FinalWrapper)，但这样做的原因是对我来说不是很明显。也许支持 null 值？

public class Memoized<T> {
    private T value;
    private volatile boolean _volatile;
    private final Supplier<T> supplier;

    public Memoized(Supplier<T> supplier) {
        this.supplier = supplier;
    }

    public T get() {
        /* Apparently have to use local variable here, otherwise return might use older value
         * see https://jeremymanson.blogspot.com/2008/12/benign-data-races-in-java.html
         */
        T tempValue = value;

        if (tempValue == null) {
            // Refresh
            if (_volatile);
            tempValue = value;

            if (tempValue == null) {
                // Entering refreshes, or have to use `if (_volatile)` again?
                synchronized (this) {
                    tempValue = value;

                    if (tempValue == null) {
                        value = tempValue = supplier.get();
                    }

                    /* 
                     * Exit should flush changes
                     * "Flushing" does not actually exists, maybe have to use  
                     * `_volatile = true` instead to establish happens-before?
                     */
                }
            }
        }

        return tempValue;
    }
}

我还读到构造函数调用可以内联和重新排序，从而导致引用未初始化的 object（请参阅 this comment on a blog）。那么直接分配供应商的结果是否安全，还是必须分两步完成？

value = tempValue = supplier.get();

两步：

tempValue = supplier.get();
// Reorder barrier, maybe not needed?
if (_volatile);
value = tempValue;

编辑：这个问题的标题有点误导，目的是减少 volatile 字段的使用。如果初始化值已经在某个线程的缓存中，那么value直接访问，不需要再去主存中查找

Answer 1

如果你只有几个单例，你可以减少 volatile 的使用。注意：您必须为每个单例重复此代码。

enum LazyX {
   ;
   static volatile Supplier<X> xSupplier; // set somewhere before use

   static class Holder {
       static final X x = xSupplier.get();
   }

   public static X get() {
       return Holder.x;
   }
}

如果你认识供应商，这就变得简单了

enum LazyXpensive {
   ;

   // called only once in a thread safe manner
   static final Xpensive x = new Xpensive();

   // after class initialisation, this is a non volatile read
   public static Xpensive get() {
       return x;
   }
}

您可以通过使用 Unsafe

来避免使字段变得不稳定

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.function.Supplier;

public class LazyHolder<T> {
    static final Unsafe unsafe = getUnsafe();
    static final long valueOffset = getValueOffset();

    Supplier<T> supplier;
    T value;

    public T get() {
        T value = this.value;
        if (value != null) return value;

        return getOrCreate();
    }

    private T getOrCreate() {
        T value;
        value = (T) unsafe.getObjectVolatile(this, valueOffset);
        if (value != null) return value;

        synchronized (this) {
            value = this.value;
            if (value != null) return value;
            this.value = supplier.get();
            supplier = null;
            return this.value;
        }
    }


    public static Unsafe getUnsafe() {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            return (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new AssertionError(e);
        }
    }

    private static long getValueOffset() {
        try {
            return unsafe.objectFieldOffset(LazyHolder.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new AssertionError(e);
        }
    }
}

但是，进行额外的查找是一种微观优化。如果您愿意为每个线程执行一次同步命中，则完全可以避免使用 volatile。

Answer 2

您的代码不是线程安全的，可以通过剥离所有不相关的部分轻松显示：

public class Memoized<T> {
    private T value;
    // irrelevant parts omitted

    public T get() {
        T tempValue = value;

        if (tempValue == null) {
            // irrelevant parts omitted
        }

        return tempValue;
    }
}

因此 value 没有 volatile 修饰符，您正在 get() 方法中读取它而没有同步，当非 null 时，继续使用它而没有任何同步。

无论您在分配 value 时做什么，仅此代码路径就已经导致代码损坏，因为所有线程安全构造都需要两端（读取和写入端）使用兼容的同步机制.

你使用像 if (_volatile); 这样的深奥结构的事实变得无关紧要，因为代码已经被破坏了。

维基百科示例使用带有 final 字段的包装器的原因是仅使用 final 字段的不可变对象不受数据竞争的影响，因此，唯一在读取时是安全的构造它的引用没有同步操作。

请注意，由于 lambda 表达式属于同一类别，您可以使用它们来简化您的用例示例：

public class Memoized<T> {
    private boolean initialized;
    private Supplier<T> supplier;

    public Memoized(Supplier<T> supplier) {
        this.supplier = () -> {
            synchronized(this) {
                if(!initialized) {
                    T value = supplier.get();
                    this.supplier = () -> value;
                    initialized = true;
                }
            }
            return this.supplier.get();
        };
    }

    public T get() {
        return supplier.get();
    }
}

这里，Memoized.get()中的supplier.get()可能会在没有同步操作的情况下读取supplier的更新值，在这种情况下它将读取正确的value，因为它是隐式 final。如果该方法读取 supplier 引用的过时值，它将在 synchronized(this) 块结束，该块使用 initialized 标志来确定是否需要对原始供应商进行评估。

由于 initialized 字段只能在 synchronized(this) 块中访问，因此它的计算结果总是正确的。每个线程最多执行一次此块，而只有第一个线程会在原始供应商上评估 get()。之后，每个线程将使用 () -> value 供应商，返回值而不需要任何同步操作。

没有 volatile 的惰性初始化/记忆

Lazy initialization / memoization without volatile

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