單例,大家肯定都不陌生,這是Java中很重要的一個設計模式。其實單例模式看上去簡單,實際上卻有很多容易被忽視的地方,因為他涉及到一些線程安全的問題,稍不留神就可能入坑。
本文,就通過一次面試經歷來深入介紹下和單例有關的那點事兒!本文的第一人稱是面試候選人!
之所以會聊到單例,是因為面試者的簡歷上寫了"熟悉常用的設計模式",面試官在問他熟悉哪種設計模式的時候,我回答"自己對單例比較瞭解",但是面試沒等結束,我就發現我還是太年輕了。
Q:你日常開發中都是怎麼實現單例的呀?
A:我一般使用懶漢模式實現單例的。
Q:你用的懶漢方式實現的單例是線程安全的嗎?
A:(這我知道,我用的肯定是線程安全的)我使用的時候,用了synchronized,所以我的實現是線程安全的。
懶漢模式
所謂"懶漢",指的是並不會事先初始化出單例對象,而是在第一次使用的時候再進行初始化,懶漢模式有兩種寫法,分別是線程安全的和非線程安全的。
線程不安全的懶漢模式:
<code>public
class
Singleton
{private
static
Singleton instance;private
Singleton
()
{}public
static
synchronized
SingletongetInstance
()
{if
(instance ==null
) { instance =new
Singleton(); }return
instance; } }/<code>
線程安全的懶漢模式:
<code>public
class
Singleton
{private
static
Singleton instance;private
Singleton
()
{}public
static
synchronized
SingletongetInstance
()
{if
(instance ==null
) { instance =new
Singleton(); }return
instance; } }/<code>
Q:那你知道懶漢模式有什麼優缺點嗎?
A:(這還能難倒我麼?)懶漢模式可以在第一次真正用到的時候再實例化,避免了創建無效的對象。但是缺點是第一次使用的時候需要耗費時間進行對象的初始化。
這個時候我已經有點竊喜了,感覺面試官問的問題完全在我的射程範圍內,哈哈哈...
Q:那除了懶漢模式,餓漢你有了解嗎?
A:(我就猜到他會問這個,其實在回答懶漢的時候我已經知道了)我知道的,餓漢就是在類初始化的時候創建單例對象。
Q:具體是怎麼實現的呢?如何在類初始化時創建對象?
A:(剛問的時候我稍微有點懵,不過很快反應過來了)就是使用static定義全局對象,在對象聲明的時候直接new一個對象,或者使用靜態代碼塊。
餓漢模式
所謂"餓漢",是指等不及要趕緊創建單例對象,即在類加載的過程中就進行單例對象的創建。具體實現方式也有多種。
餓漢模式:
<code>public
class
Singleton
{private
static
Singleton instance =new
Singleton();private
Singleton
()
{}public
static
SingletongetInstance
()
{return
instance; } }/<code>
餓漢模式變種:
<code>public
class
Singleton
{private
Singleton instance =null
;static
{ instance =new
Singleton(); }private
Singleton
(){}public
static
SingletongetInstance
() {return
this
.instance; } }/<code>
Q:那餓漢模式是線程安全的嗎?
A:額....應該是吧,嗯,(我要堅定,不能讓面試官看出我不會)是的,是線程安全的。
Q:為什麼餓漢模式是線程安全的呢?怎麼實現的呢?
A:(回答上一個問題的時候我就有點發慌了,果然還是逃不過去)應該是類加載的時候線程安全的吧?(這個我真的是不太確定,也是有點緊張,沒回答好)
餓漢如何保證線程安全
通過定義靜態的成員變量,以保證單例對象可以在類初始化的過程中被實例化。
這其實是利用了ClassLoader的線程安全機制。ClassLoader的loadClass方法在加載類的時候使用了synchronized關鍵字。
所以, 除非被重寫,這個方法默認在整個裝載過程中都是線程安全的。所以在類加載過程中對象的創建也是線程安全的。
Q:好的,沒關係,那雙重校驗鎖這種單例你有了解嗎?
A:知道一點,就是通過同步代碼塊代替了懶漢模式中的同步方法,來減小鎖的粒度,減少阻塞。但是避免併發,需要進行兩次非空判斷,所以叫做雙重鎖校驗。
雙重校驗鎖實現單例:
<code>public
class
Singleton
{private
volatile
static
Singleton singleton;private
Singleton
()
{}public
static
SingletongetSingleton
()
{if
(singleton ==null
) {synchronized
(Singleton.
class
) {if
(singleton ==null
) { singleton =new
Singleton(); } } }return
singleton; } }/<code>
Q:那你知道為什麼已經用到了synchronized進行了同步,還需要使用volatile對單例對象進行修飾嗎?
A:(這個我還真的沒有注意過,只是胡亂回答了一堆volatile不能保證原子性之類的。但是面試官不是很滿意,後來我自己查了一下)
雙重鎖校驗的單例中為什麼要使用volatile
因為編譯器有可能進行指令重排優化,使得singleton對象在未完成初始化之前就對其進行了賦值,這樣其他人拿到的對象就可能是個殘缺的對象了。使用volatile的目的是避免指令重排。保證先進性初始化,然後進行賦值
Q:那你聽說過指令重排嗎?
A:(當時我回答沒聽說過,後來才知道,原來面試官在引導回答上一個問題,可惜自己太傻了,這裡看出面試官還是比較友善的。)
慌張,除了慌張還是慌張...
Q:OK ,沒關係的,那你還知道有其他方式可以實現單例嗎?
A:好像是使用枚舉可以實現單例
枚舉實現單例:
<code>public
enum
Singleton { INSTANCE;public
void
whateverMethod
()
{ } }/<code>
Q:知道枚舉實現單例有什麼好處嗎?
A:寫法簡單,幾行代碼就能搞定了。
Q:還有呢?
A:(還好我看過枚舉的實現)枚舉其實底層是依賴Enum類實現的,這個類的成員變量都是static類型的,並且在靜態代碼塊中實例化的,和餓漢有點像, 所以他天然是線程安全的。
Q:還有呢?
A:(我的天,怎麼還有?)還有的我就不是很清楚了。
枚舉實現單例的好處
除了寫法簡單,線程安全以外,枚舉還有一個好處,那就是"枚舉可以解決反序列化會破壞單例的問題"
在枚舉序列化的時候,Java僅僅是將枚舉對象的name屬性輸出到結果中,反序列化的時候則是通過java.lang.Enum的valueOf方法來根據名字查找枚舉對象。同時,編譯器是不允許任何對這種序列化機制的定製的,因此禁用了writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法。
普通的Java類的反序列化過程中,會通過反射調用類的默認構造函數來初始化對象。所以,即使單例中構造函數是私有的,也會被反射給破壞掉。由於反序列化後的對象是重新new出來的,所以這就破壞了單例。
但是,枚舉的反序列化並不是通過反射實現的。所以,也就不會發生由於反序列化導致的單例破壞問題。
Q:好的,那我還有最後一個問題,如果不讓你使用synchronized和lock,你知道怎麼實現一個線程安全的單例嗎?
A:(這個問題很有意思,我根據我自己的理解回答了好幾種,但是好像都不是面試官想要的答案,這是另外一個話題了,下次再單獨分享吧。)