Javaにおけるダブルチェックロッキングパターン：最小限のオーバーヘッドでスレッドセーフティを確保

ダブルチェックロッキングデザインパターンの意図

ロックの取得に伴うオーバーヘッドを削減するために、最初にロック基準（「ロックヒント」）を実際にロックを取得せずにテストします。ロック基準が真であるように見える場合のみ、実際のロックロジックが実行されます。Javaのダブルチェックロッキングは、パフォーマンスの最適化とスレッドセーフティの確保に役立ちます。

実例を用いたダブルチェックロッキングパターンの詳細な説明

現実世界の例

高価な機器室がある会社では、従業員は最初に目に見える標識を確認して、部屋が施錠されているかどうかを確認します。標識が施錠されていないことを示している場合、直接入室します。施錠されている場合は、セキュリティキーカードを使用してアクセスします。この2段階の検証プロセスにより、電子ロックシステムの不必要な使用を最小限に抑えながら、セキュリティを効率的に管理できます。これは、リソースを大量に消費する操作を最小限に抑えるためにソフトウェアで使用されるダブルチェックロッキングパターンを反映しています。

簡単に言うと

ソフトウェアにおけるダブルチェックロッキングパターンは、リソースを大量に消費するロック処理に進む前に、低コストの方法でロックの状態を最初に確認することで、コストのかかるロック操作を最小限に抑え、オブジェクトの初期化中に効率性とスレッドセーフティを確保します。

Wikipediaによると

ソフトウェアエンジニアリングにおいて、ダブルチェックロッキング（「ダブルチェックロッキング最適化」とも呼ばれる）は、ロックを取得するオーバーヘッドを削減するために使用されるソフトウェアデザインパターンです。ロックを取得する前に、ロック基準（「ロックヒント」）をテストします。ロックは、ロック基準チェックによってロックが必要であることが示された場合のみ発生します。

Javaにおけるダブルチェックロッキングパターンのプログラミング例

ダブルチェックロッキングパターンは、`HolderThreadSafe`クラスで使用され、`Heavy`オブジェクトが複数のスレッドからアクセスされた場合でも、一度しか作成されないことを保証します。その仕組みを以下に示します。

1. オブジェクトが初期化されているかどうかを確認します（最初のチェック）：初期化されている場合は、すぐに返します。

if (heavy == null) {
  // ...
}

2. オブジェクトが作成されるコードブロックを同期化します。これにより、オブジェクトを作成できるスレッドは1つだけになります。

synchronized (this) {
  // ...
}

3. オブジェクトが初期化されているかどうかを再度確認します。現在のスレッドが同期化ブロックに入った時点で、別のスレッドが既にオブジェクトを作成している場合は、作成されたオブジェクトを返します。

if (heavy == null) {
  heavy = new Heavy();
}

4. 作成されたオブジェクトを返します。

return heavy;

`HolderThreadSafe`クラスの完全なコードを以下に示します。

public class HolderThreadSafe {

  private Heavy heavy;

  public HolderThreadSafe() {
    LOGGER.info("Holder created");
  }

  public synchronized Heavy getHeavy() {
    if (heavy == null) {
      synchronized (this) {
        if (heavy == null) {
          heavy = new Heavy();
        }
      }
    }
    return heavy;
  }
}

このコードでは、`Heavy`オブジェクトは、`getHeavy`メソッドが初めて呼び出されたときにのみ作成されます。これは遅延初期化として知られています。ダブルチェックロッキングパターンを使用して、`getHeavy`メソッドが同時に複数のスレッドから呼び出された場合でも、`Heavy`オブジェクトが一度しか作成されないことが保証されます。

Javaでダブルチェックロッキングパターンを使用する場合

以下のすべての条件が満たされている場合、Javaでダブルチェックロッキングパターンを使用します。

• 作成にコストのかかるシングルトンリソースが存在する。
• リソースにアクセスするたびにロックを取得するオーバーヘッドを削減する必要がある。

Javaにおけるダブルチェックロッキングパターンの現実世界のアプリケーション

• マルチスレッド環境でのシングルトンパターンの実装。
• Javaアプリケーションにおけるリソースを大量に消費するオブジェクトの遅延初期化。

ダブルチェックロッキングパターンの利点とトレードオフ

利点

• オブジェクトが初期化された後、不要なロックを回避することでパフォーマンスが向上します。
• 重要な初期化セクションのスレッドセーフティが維持されます。

トレードオフ

• 複雑な実装により、メモリ可见性の問題によるオブジェクトの不正な公開など、誤りが発生する可能性があります。
• Javaでは、volatile変数を注意深く使用しない限り、一部のバージョンでは冗長になるか、機能しなくなる可能性があります。

関連するJavaデザインパターン

• シングルトン：ダブルチェックロッキングは、スレッドセーフなシングルトンの実装によく使用されます。
• 遅延読み込み：必要なまでオブジェクトの作成を遅らせるという概念を共有しています。

参考文献とクレジット

• Java並行処理プログラミング実践ガイド
• Effective Java