我向面試官講解了單例模式，他對我豎起了大拇指

時間 2020-07-20

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單例模式相信你們都有所聽聞，甚至也寫過很多了，在面試中也是考得最多的其中一個設計模式，面試官經常會要求寫出兩種類型的單例模式而且解釋其原理，廢話很少說，咱們開始學習如何很好地回答這一道面試題吧。java

什麼是單例模式

面試官問什麼是單例模式時，千萬不要答非所問，給出單例模式有兩種類型之類的回答，要圍繞單例模式的定義去展開。面試

單例模式是指在內存中只會建立且僅建立一次對象的設計模式。在程序中屢次使用同一個對象且做用相同時，爲了防止頻繁地建立對象使得內存飆升，單例模式可讓程序僅在內存中建立一個對象，讓全部須要調用的地方都共享這一單例對象。設計模式

單例模式的類型

單例模式有兩種類型：安全

懶漢式：在真正須要使用對象時纔去建立該單例類對象
餓漢式：在類加載時已經建立好該單例對象，等待被程序使用

懶漢式建立單例對象

懶漢式建立對象的方法是在程序使用對象前，先判斷該對象是否已經實例化（判空），若已實例化直接返回該類對象。不然則先執行實例化操做。多線程

根據上面的流程圖，就能夠寫出下面的這段代碼併發

public class Singleton {
    
    private static Singleton singleton;
    
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
    
}
複製代碼

沒錯，這裏咱們已經寫出了一個很不錯的單例模式，不過它不是完美的，可是這並不影響咱們使用這個「單例對象」。性能

以上就是懶漢式建立單例對象的方法，我會在後面解釋這段代碼在哪裏能夠優化，存在什麼問題。學習

餓漢式建立單例對象

餓漢式在類加載時已經建立好該對象，在程序調用時直接返回該單例對象便可，即咱們在編碼時就已經指明瞭要立刻建立這個對象，不須要等到被調用時再去建立。測試

關於類加載，涉及到JVM的內容，咱們目前能夠簡單認爲在程序啓動時，這個單例對象就已經建立好了。優化

public class Singleton{
    
    private static final Singleton singleton = new Singleton();
    
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }
}
複製代碼

注意上面的代碼在第3行已經實例化好了一個Singleton對象在內存中，不會有多個Singleton對象實例存在

類在加載時會在堆內存中建立一個Singleton對象，當類被卸載時，Singleton對象也隨之消亡了。

懶漢式如何保證只建立一個對象

咱們再來回顧懶漢式的核心方法

public static Singleton getInstance() {
    if (singleton == null) {
        singleton = new Singleton();
    }
    return singleton;
}
複製代碼

這個方法實際上是存在問題的，試想一下，若是兩個線程同時判斷 singleton 爲空，那麼它們都會去實例化一個Singleton 對象，這就變成多例了。因此，咱們要解決的是線程安全問題。

最容易想到的解決方法就是在方法上加鎖，或者是對類對象加鎖，程序就會變成下面這個樣子

public static synchronized Singleton getInstance() {
    if (singleton == null) {
        singleton = new Singleton();
    }
    return singleton;
}
// 或者
public static Singleton getInstance() {
    synchronized(Singleton.class) {   
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
    }
    return singleton;
}
複製代碼

這樣就規避了兩個線程同時建立Singleton對象的風險，可是引來另一個問題：每次去獲取對象都須要先獲取鎖，併發性能很是地差，極端狀況下，可能會出現卡頓現象。

接下來要作的就是優化性能：目標是若是沒有實例化對象則加鎖建立，若是已經實例化了，則不須要加鎖，直接獲取實例

因此直接在方法上加鎖的方式就被廢掉了，由於這種方式不管如何都須要先獲取鎖

public static Singleton getInstance() {
    if (singleton == null) {  // 線程A和線程B同時看到singleton = null，若是不爲null，則直接返回singleton
        synchronized(Singleton.class) { // 線程A或線程B得到該鎖進行初始化
            if (singleton == null) { // 其中一個線程進入該分支，另一個線程則不會進入該分支
                singleton = new Singleton();
            }
        }
    }
    return singleton;
}
複製代碼

上面的代碼已經完美地解決了併發安全 + 性能低效問題：

第 2 行代碼，若是 singleton 不爲空，則直接返回對象，不須要獲取鎖；而若是多個線程發現 singleton 爲空，則進入分支；
第 3 行代碼，多個線程嘗試爭搶同一個鎖，只有一個線程爭搶成功，第一個獲取到鎖的線程會再次判斷singleton 是否爲空，由於 singleton 有可能已經被以前的線程實例化
其它以後獲取到鎖的線程在執行到第 4 行校驗代碼，發現 singleton 已經不爲空了，則不會再 new 一個對象，直接返回對象便可
以後全部進入該方法的線程都不會去獲取鎖，在第一次判斷 singleton 對象時已經不爲空了

由於須要兩次判空，且對類對象加鎖，該懶漢式寫法也被稱爲：Double Check（雙重校驗） + Lock（加鎖）

完整的代碼以下所示：

public class Singleton {
    
    private static Singleton singleton;
    
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {  // 線程A和線程B同時看到singleton = null，若是不爲null，則直接返回singleton
            synchronized(Singleton.class) { // 線程A或線程B得到該鎖進行初始化
                if (singleton == null) { // 其中一個線程進入該分支，另一個線程則不會進入該分支
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    
}
複製代碼

上面這段代碼已經近似完美了，可是還存在最後一個問題：指令重排

使用 volatile 防止指令重排

建立一個對象，在 JVM 中會通過三步：

（1）爲 singleton 分配內存空間

（2）初始化 singleton 對象

（3）將 singleton 指向分配好的內存空間

指令重排序是指：JVM 在保證最終結果正確的狀況下，能夠不按照程序編碼的順序執行語句，儘量提升程序的性能

在這三步中，第二、3 步有可能會發生指令重排現象，建立對象的順序變爲 1-3-2，會致使多個線程獲取對象時，有可能線程 A 建立對象的過程當中，執行了一、3 步驟，線程 B 判斷 singleton 已經不爲空，獲取到未初始化的singleton 對象，就會報 NPE 異常。文字較爲晦澀，能夠看流程圖：

使用 volatile 關鍵字能夠**防止指令重排序，**其原理較爲複雜，這篇文章不打算展開，能夠這樣理解：使用 volatile 關鍵字修飾的變量，能夠保證其指令執行的順序與程序指明的順序一致，不會發生順序變換，這樣在多線程環境下就不會發生 NPE 異常了。

volatile 還有第二個做用：使用 volatile 關鍵字修飾的變量，能夠保證其內存可見性，即每一時刻線程讀取到該變量的值都是內存中最新的那個值，線程每次操做該變量都須要先讀取該變量。

最終的代碼以下所示：

public class Singleton {
    
    private static volatile Singleton singleton;
    
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {  // 線程A和線程B同時看到singleton = null，若是不爲null，則直接返回singleton
            synchronized(Singleton.class) { // 線程A或線程B得到該鎖進行初始化
                if (singleton == null) { // 其中一個線程進入該分支，另一個線程則不會進入該分支
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    
}
複製代碼

破壞懶漢式單例與餓漢式單例

不管是完美的懶漢式仍是餓漢式，終究敵不過反射和序列化，它們倆均可以把單例對象破壞掉（產生多個對象）。

利用反射破壞單例模式

下面是一段使用反射破壞單例模式的例子

public static void main(String[] args) {
    // 獲取類的顯式構造器
    Constructor<Singleton> construct = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
    // 可訪問私有構造器
    construct.setAccessible(true); 
    // 利用反射構造新對象
    Singleton obj1 = construct.newInstance(); 
    // 經過正常方式獲取單例對象
    Singleton obj2 = Singleton.getInstance(); 
    System.out.println(obj1 == obj2); // false
}
複製代碼

上述的代碼一針見血了：利用反射，強制訪問類的私有構造器，去建立另外一個對象

利用序列化與反序列化破壞單例模式

下面是一種使用序列化和反序列化破壞單例模式的例子

public static void main(String[] args) {
    // 建立輸出流
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("Singleton.file"));
    // 將單例對象寫到文件中
    oos.writeObject(Singleton.getInstance());
    // 從文件中讀取單例對象
    File file = new File("Singleton.file");
    ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
    Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
    // 判斷是不是同一個對象
    System.out.println(newInstance == Singleton.getInstance()); // false
}
複製代碼

兩個對象地址不相等的緣由是：readObject() 方法讀入對象時它一定會返回一個新的對象實例，必然指向新的內存地址。

讓面試官鼓掌的枚舉實現

咱們已經掌握了懶漢式與餓漢式的常見寫法了，一般狀況下到這裏已經足夠了。可是，追求極致的咱們，怎麼可以止步於此，在《Effective Java》書中，給出了終極解決方法，話很少說，學完下面，真的不虛面試官考你了。

在 JDK 1.5 後，使用 Java 語言實現單例模式的方式又多了一種：枚舉

枚舉實現單例模式完整代碼以下：

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    
    public void doSomething() {
        System.out.println("這是枚舉類型的單例模式！");
    }
}
複製代碼

使用枚舉實現單例模式較其它兩種實現方式的優點有 3 點，讓咱們來細品。

優點 1 ：一目瞭然的代碼

代碼對比餓漢式與懶漢式來講，更加地簡潔。最少只須要3行代碼，就能夠完成一個單例模式：

public enum Test {
    INSTANCE;
}
複製代碼

咱們從最直觀的地方入手，第一眼看到這3行代碼，就會感受到少，沒錯，就是少，雖然這優點有些牽強，但寫的代碼越少，越不容易出錯。

優點 2：自然的線程安全與單一實例

它不須要作任何額外的操做，就能夠保證對象單一性與線程安全性。

我寫了一段測試代碼放在下面，這一段代碼能夠證實程序啓動時僅會建立一個 Singleton 對象，且是線程安全的。

咱們能夠簡單地理解枚舉建立實例的過程：在程序啓動時，會調用 Singleton 的空參構造器，實例化好一個Singleton 對象賦給 INSTANCE，以後不再會實例化

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    Singleton() { System.out.println("枚舉建立對象了"); }
    public static void main(String[] args) { /* test(); */ }
    public void test() {
        Singleton t1 = Singleton.INSTANCE;
        Singleton t2 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.print("t1和t2的地址是否相同：" + t1 == t2);
    }
}
// 枚舉建立對象了
// t1和t2的地址是否相同：true
複製代碼