Знакомьтесь, антипаттерн double-checked locking

На днях размышлял, как можно было бы ускорить следующую конструкцию:

Конструкция 1. Известная всем реализация ленивого синглтона.

public class Singleton 
{
   private Singleton(){}

   private static Singleton INSTANCE;
   
   public static synchronized Singleton getInstance()
   { 
      if (INSTANCE == null)
      {
          INSTANCE = new Singleton();
          //
          // ... perform an INSTANCE initialization
      }
      return INSTANCE;   
   }
}

Основным недостатком является наличие synchronized, которое по-хорошему нужно
только при инициализации экземпляра объекта singleton, а не при каждом доступе к нему.
Таким образом, сразу же напрашивается мысль, а что если попробовать использовать критическую секцию только при инициализации объекта:

Конструкция 2. Первая попытка сделать короче время доступа к INSTANCE.

public class Singleton 
{
   private Singleton(){}

   private static Singleton INSTANCE;
   
   public static Singleton getInstance()
   { 
      if (INSTANCE == null)
      {
         synchronized(Singleton.class)
         {
           INSTANCE = new Singleton();
           //
           // ... perform an INSTANCE initialization
         }
      }
      return INSTANCE;   
   }
}

Теперь инициализация объекта будет происходить при первом доступе к объекту, но, к сожалению, данная конструкция не спасает от конкурентного доступа. Так как может получиться так, что конкурирующие процессы после проверки INSTANCE на null последовательно войдут в критическую секцию и проинициализируют Singleton несколько раз. Тут же придумал workaround: поставить проверку на null после входа в критическую секцию, сказано - сделано:

Конструкция 3. Вторая попытка или double-checked locking антиппатерн.
public class Singleton 
{
   private Singleton(){}

   private static Singleton INSTANCE;
   
   public static Singleton getInstance()
   { 
      if (INSTANCE == null)
      {
         synchronized(Singleton.class)
         {
           if (INSTANCE == null)
           {
             INSTANCE = new Singleton();
             //
             // ... perform an INSTANCE initialization
           }
         }
      }
      return INSTANCE;   
   }
} 

Полученная конструкция в теории должна работать, но так ли это? Довольный своим открытием, я решил посмотреть, что пишут эксперты о такой конструкции, есть ли какие-то другие, более эффективные варианты ускорения реализации паттерна singleton. Очень быстро обнаружил, что такая конструкция действительно используется и называется она double-checked locking (в некоторых источниках такую конструкцию называют даже антипаттерном [2]). Действительно она применяется для ускорения singleton, но имеет ряд неочевидных недостатков для некоторых языков.

Недостаток первый. В некоторых языках, в т.ч. и в Java значение переменной INSTANCE может быть присвоено при выполнении конструктора до его завершения. Это связано с выделением памяти, как только выделяется память, то INSTANCE получает соотв. значение (в Java это ссылка, в других языках это, возможно, указатель на некоторую выделенную для объекта область памяти). Таким образом, есть вероятность, что пока один поток будет выполняться в критической секции, другой, выполнив проверку INSTANCE на null, в критиескую секцию уже не пойдет, а сразу вернет неинициализированную (но не равную null) переменную INSTANCE.

Недостаток второй. Запись и чтение значений переменных в многопоточных программах на некоторых языках могут зависеть от реализации конкретной исполняющей среды/компилятора. Например, в JAVA используется кеширование переменных: из соображений эффективности каждый поток может хранить свою собственную приватную копию переменной. Эта копия может синхронизироватся с основной памятью в различные моменты, например, при входе в критическую секцию и при выходе из нее [3]. Как вариант, в Java можно использовать модификатор volatile для переменной INSTANCE, которое действительно гарантирует атомарный доступ к переменной. В таком случае переменная никогда не кешируется потоками и доступ к ней осуществляется, как если бы это происходило внутри критической секции (synchronize над этой переменной). Но по сути это приводит к тому же от, чего уходили - к наличию критической секции при доступе к переменной.

Таким образом, рекомендуется использовать конструкцию 1 [2], либо использовать факт о ленивой загрузке классов [1]: т.е. что сам класс Singleton будет загружен лишь при первом обращении к нему, соотв. будут проинициализированны все static-поля и секции:

Конструкция 4. Если быть проще...
public class Singleton 
{
   private static Singleton INSTANCE = new Singleton();
   
   static 
   {
      // further INSTANCE initialization
   }

   private Singleton()
   {
      // Singleton initialization
   }
   
   public static Singleton getInstance()
   { 
      return INSTANCE;   
   }
}

Материалы.

[1] http://www.ibm.com/developerworks/java/library/j-dcl.html
[2] http://www.javamex.com/tutorials/double_checked_locking_fixing.shtml
[3] http://www.javamex.com/tutorials/synchronization_concurrency_synchronized1.shtml