面试中单例模式有几种写法

“你知道茴香豆的‘茴’字有几种写法吗?”

纠结单例模式有几种写法有用吗?有点用,面试中经常选择其中一种或几种写法作为话头,考查设计模式和coding style的同时,还很容易扩展到其他问题。这里讲解几种猴哥常用的写法,但切忌生搬硬套,去记“茴香豆的写法”。编程最大的乐趣在于“know everything, control everything”。

大体可分为4类,下面分别介绍他们的基本形式、变种及特点。

饱汉模式

饱汉是变种最多的单例模式。我们从饱汉出发,通过其变种逐渐了解实现单例模式时需要关注的问题。

基础的饱汉

饱汉,即已经吃饱,不着急再吃,饿的时候再吃。所以他就先不初始化单例,等第一次使用的时候再初始化,即“懒加载”。

// 饱汉// UnThreadSafepublic class Singleton1 {  private static Singleton1 singleton = null;  private Singleton1() {  }  public static Singleton1 getInstance() {    if (singleton == null) {      singleton = new Singleton1();    }    return singleton;  }

饱汉模式的核心就是懒加载。好处是更启动速度快、节省资源,一直到实例被第一次访问,才需要初始化单例;小坏处是写起来麻烦,大坏处是线程不安全,if语句存在竞态条件。

写起来麻烦不是大问题,可读性好啊。因此,单线程环境下,基础饱汉是猴哥最喜欢的写法。但多线程环境下,基础饱汉就彻底不可用了。下面的几种变种都在试图解决基础饱汉线程不安全的问题。

饱汉 – 变种 1

最粗暴的犯法是用synchronized关键字修饰getInstance()方法,这样能达到绝对的线程安全。

// 饱汉// ThreadSafepublic class Singleton1_1 {  private static Singleton1_1 singleton = null;  private Singleton1_1() {  }  public synchronized static Singleton1_1 getInstance() {    if (singleton == null) {      singleton = new Singleton1_1();    }    return singleton;  }}

变种1的好处是写起来简单,且绝对线程安全;坏处是并发性能极差,事实上完全退化到了串行。单例只需要初始化一次,但就算初始化以后,synchronized的锁也无法避开,从而getInstance()完全变成了串行操作。性能不敏感的场景建议使用。

饱汉 – 变种 2

变种2是“臭名昭著”的DCL 1.0。

针对变种1中单例初始化后锁仍然无法避开的问题,变种2在变种1的外层又套了一层check,加上synchronized内层的check,即所谓“双重检查锁”(Double Check Lock,简称DCL)。

// 饱汉
// UnThreadSafe
public class Singleton1_2 {
  private static Singleton1_2 singleton = null;
  private Singleton1_2() {
  }
  public static Singleton1_2 getInstance() {
    // may get half object
    if (singleton == null) {
      synchronized (Singleton1_2.class) {
        if (singleton == null) {
          singleton = new Singleton1_2();
        }
      }
    }
    return singleton;
  }
}

变种2的核心是DCL,看起来变种2似乎已经达到了理想的效果:懒加载+线程安全。可惜的是,正如注释中所说,DCL仍然是线程不安全的,由于指令重排序,你可能会得到“半个对象”。详细在看完变种3后,可参考猴子之前的一篇文章,这里不再赘述。

参考:volatile关键字的作用、原理

饱汉 – 变种 3

变种3专门针对变种2,可谓DCL 2.0。

针对变种3的“半个对象”问题,变种3在instance上增加了volatile关键字,原理见上述参考。

// 饱汉
// ThreadSafe
public class Singleton1_3 {
  private static volatile Singleton1_3 singleton = null;
  private Singleton1_3() {
  }
  public static Singleton1_3 getInstance() {
    if (singleton == null) {
      synchronized (Singleton1_3.class) {
        // must be a complete instance
        if (singleton == null) {
          singleton = new Singleton1_3();
        }
      }
    }
    return singleton;
  }
}

多线程环境下,变种3更适用于性能敏感的场景。但后面我们将了解到,就算是线程安全的,还有一些办法能破坏单例。

饿汉模式

与饱汉相对,饿汉很饿,只想着尽早吃到。所以他就在最早的时机,即类加载时初始化单例,以后访问时直接返回即可。

// 饿汉
// ThreadSafe
public class Singleton2 {
  private static final Singleton2 singleton = new Singleton2();
  private Singleton2() {
  }
  public static Singleton2 getInstance() {
    return singleton;
  }
}

饿汉的好处是天生的线程安全(得益于类加载机制),写起来超级简单,使用时没有延迟;坏处是有可能造成资源浪费(如果类加载后就一直不使用单例的话)。

值得注意的时,单线程环境下,饿汉与饱汉在性能上没什么差别;但多线程环境下,由于饱汉需要加锁,饿汉的性能反而更优。

Holder模式

我们既希望利用饿汉模式中静态变量的方便和线程安全;又希望通过懒加载规避资源浪费。Holder模式满足了这两点要求:核心仍然是静态变量,足够方便和线程安全;通过静态的Holder类持有真正实例,间接实现了懒加载。

// Holder模式// ThreadSafepublic class Singleton3 {  private static class SingletonHolder {    private static final Singleton3 singleton = new Singleton3();    private SingletonHolder() {    }  }  private Singleton3() {  }  public synchronized static Singleton3 getInstance() {    return SingletonHolder.singleton;  }}

相对于饿汉模式,Holder模式仅增加了一个静态内部类的成本,与饱汉的变种3效果相当(略优),都是比较受欢迎的实现方式。同样建议考虑。

枚举模式

用枚举实现单例模式,相当好用,但可读性是不存在的。

基础的枚举

将枚举的静态成员变量作为单例的实例:

// 枚举// ThreadSafepublic enum Singleton4 {  SINGLETON;}

代码量比饿汉模式更少。但用户只能直接访问实例Singleton4.SINGLETON——事实上,这样的访问方式作为单例使用也是恰当的,只是牺牲了静态工厂方法的优点,如无法实现懒加载。

丑陋但好用的语法糖

Java的枚举是一个“丑陋但好用的语法糖”。

枚举型单例模式的本质

通过反编译(jad,源码|String拼接操作”+”的优化?也用到了)打开语法糖,就看到了枚举类型的本质,简化如下:

// 枚举// ThreadSafepublic class Singleton4 extends Enum<Singleton4> {  ...  public static final Singleton4 SINGLETON = new Singleton4();  ...

本质上和饿汉模式相同,区别仅在于公有的静态成员变量。

用枚举实现一些trick

这一部分与单例没什么关系,可以跳过。如果选择阅读也请认清这样的事实:虽然枚举相当灵活,但如何恰当的使用枚举有一定难度。一个足够简单的典型例子是TimeUnit类,建议有时间耐心阅读。

上面已经看到,枚举型单例的本质仍然是一个普通的类。实际上,我们可以在枚举型型单例上增加任何普通类可以完成的功能。要点在于枚举实例的初始化,可以理解为实例化了一个匿名内部类。为了更明显,我们在Singleton4_1中定义一个普通的私有成员变量,一个普通的公有成员方法,和一个公有的抽象成员方法,如下:

// 枚举
// ThreadSafe
public enum Singleton4_1 {
  SINGLETON("enum is the easiest singleton pattern, but not the most readable") {
    public void testAbsMethod() {
      print();
      System.out.println("enum is ugly, but so flexible to make lots of trick");
    }
  };
  private String comment = null;
  Singleton4_1(String comment) {
    this.comment = comment;
  }
  public void print() {
    System.out.println("comment=" + comment);
  }
  abstract public void testAbsMethod();
  public static Singleton4_1 getInstance() {
    return SINGLETON;
  }
}

这样,枚举类Singleton4_1中的每一个枚举实例不仅继承了父类Singleton4_1的成员方法print(),还必须实现父类Singleton4_1的抽象成员方法testAbsMethod()。

总结

上面的分析都忽略了反射和序列化的问题。通过反射或序列化,我们仍然能够访问到私有构造器,创建新的实例破坏单例模式。此时,只有枚举模式能天然防范这一问题。反射和序列化猴子还不太了解,但基本原理并不难,可以在其他模式上手动实现。

下面继续忽略反射和序列化的问题,做个总结回味一下:

单例模式是面试中的常考点,写起来非常简单。一方面考查正确性,看本文分析;一方面考查coding style,参考:程序猿应该记住的几条基本规则。

原文发布于微信公众号 - JAVA高级架构(gaojijiagou)

原文发表时间:2017-12-06

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