没有 volatile 的延迟初始化/记忆

Question

看起来 Java 内存模型没有定义本地缓存的“刷新”和“刷新”，相反人们只是为了简单起见才这样称呼它，但实际上“发生前”关系意味着刷新和刷新以某种方式（会如果您能解释这一点，那就太好了，但不是问题的直接部分）。

这让我很困惑，再加上关于Java Memory Model in the JLS 的部分并不是以易于理解的方式编写的。

因此，请您告诉我我在以下代码中所做的假设是否正确，因此是否可以保证正确运行？

它部分基于Double-checked locking 上的 Wikipedia 文章中提供的代码，但是作者使用了包装类 (FinalWrapper)，但其原因对我来说并不完全清楚。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被内联和重新排序，从而导致对未初始化对象的引用（参见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，则直接访问value，无需再去主存中查找。

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;
   }
}

如果您了解供应商，这将变得更简单

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;
   }
}

您可以使用Unsafe 避免使该字段易失

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，进行额外查找是一项微观优化。如果您愿意为每个线程进行一次同步命中，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来轻松显示：

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

    public T get() {
        T tempValue = value;

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

        return tempValue;
    }
}

所以value 没有volatile 修饰符，你在get() 方法中读取它没有同步，当非null 时，继续使用它而不进行任何同步。

无论您在分配value 时执行什么操作，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（读取端和写入端）使用兼容的同步机制。

您使用像if (_volatile); 这样的深奥结构这一事实就变得无关紧要了，因为代码已经被破坏了。

Wikipedia 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，在没有同步操作的情况下读取其引用时唯一安全的构造.

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() 内的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，因为它隐含为final。如果该方法读取了 supplier 引用的过期值，它将在 synchronized(this) 块中结束，该块使用 initialized 标志来确定是否需要对原始供应商进行评估。

因为initialized 字段只能在synchronized(this) 块内访问，所以它的计算结果总是正确的。对于每个线程，该块最多会执行一次，而只有第一个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。