技术 | 面试官：你真的会写单例模式么？

设计模式是开发岗面试中的高频考点，在设计模式中，单例模式基本是必考的！

为什么面试官爱问单例模式呢？原因如下：

1. 单例模式是我们平时编程中最常用的设计模式之一。

2. 单例模式实现简单，不会占用太多面试时间

3. 单例模式的实现有很多种，而且有优劣之分，能够体现面试者的基本功和水平。

即使是工作几年的程序员，也未必能完全正确地手写单例模式，实现方式也不完全相同。

那么你真的会写单例模式么？

什么是单例模式？

单例模式是OOP（面向对象编程）语言的一种概念，顾名思义，就是一个类只能有一个实例对象。

单例模式又分为懒汉式单例和饿汉式单例， 下面介绍两种方式的传统实现及优化后的推荐实现（本来想叫“最佳实现”，但网上实现方式太多，比如乐观锁、枚举类等等，就不给自己留坑了）。

懒汉式单例

懒汉式单例的特点是：当需要使用对象的时候才进行实例化。

由于可能有多个线程同时要使用对象，因此需要考虑线程安全问题，防止并发访问时生成多个实例。通常需要加锁来解决并发冲突，是用时间来换空间的方案。

传统实现代码：

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
 
    private static Singleton obj;
 
    // 加锁保证obj只实例化一次，时间换空间
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (obj == null) {
            obj = new Singleton();
        }
        return obj;
    }
}

传统实现方式中，每次获取实例都要被synchronized关键字串行化，即使已经生成了对象实例。

而我们加锁的目的是为了防止生成多个实例，因此只需对生成实例的代码加锁，生成实例后，可支持并发访问，提高了性能。

优化后的代码：

class Singleton {
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
    // 最后解释volatile关键字
    private volatile static Singleton obj;
 
    public static Singleton getInstance(){
        // 已有实例则直接返回，不走锁
        if (obj == null) {
            // 仅在没生成实例时加锁控制，使并发访问串行化
            synchronized (Singleton.class) {
                // 多个线程会按序执行到此处，需要再次检查是否已实例化
                if (obj == null) {
                    obj = new Singleton();
                }
            }
        }
        return obj;
    }
}

在上述代码中，由于检查了两次对象是否已实例化，因此该方法又称“双检锁”，能够保证线程安全的同时提升对象实例化后的调用性能。

饿汉式单例

饿汉式单例的特点是：类加载时便实例化对象。

能够在第一时间实例化对象，供其他方法使用，是拿空间换时间的方案。

传统实现代码：

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
    // 类加载时就实例化对象
    private static Singleton obj = new Singleton();
     
    public static Singleton getInstance(){
        return obj;
    }
}

通过static关键字，在类加载时创建对象。

优化实现

上述传统实现方式中，由于类加载时就实例化对象，因此当我们调用这个类的其他静态方法时，也会触发类加载，从而实例化单例对象，会导致空间的暂时浪费。

由于静态内部类中的对象不会默认加载，直到调用了获取该内部类属性的方法。因此可用静态内部类封装静态实例变量。

优化后的代码：

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
 
    // 静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

上面种种实现方式中，最推荐这种优化后的饿汉式实现，利用static保证线程安全，利用静态内部类节约了空间，实现lazy-loading（懒加载），而且代码非常简短，可谓一箭三雕。

接下来我们深入分析下单例模式代码中的细节。

单例模式细节深入分析

虽然懒汉式单例优化版的实现代码相对复杂，但是有一些细节值得学习和考究。

比如这行声明实例的代码中为什么要使用volatile关键字？

private volatile static Singleton obj;

看似不起眼的volatile关键字，如果不添加的话，可能出现获取实例为null的情况！

为什么呢？

因为使用new来创建对象不是一个原子操作（不可分割的操作序列，要么都成功，要么都失败），而是会被编译成如下三条指令：

1. 给实例分配内存

2. 初始化实例的构造

3. 将实际对象指向分配的内存空间（此时实例应该已经不为空）

正常的思路是123一定按顺序执行。

但事实上，Java会对进行指令重排序。

JVM根据处理器的特性，充分利用多级缓存，多核等进行适当的指令重排序，使程序在保证业务运行的同时，充分利用CPU的执行特点，最大的发挥机器的性能。

即JVM虚拟机在执行上面三条指令时，可能按照132的顺序执行。

假设当13执行完，2还未执行时，如果另外一个线程调用getInstance()，会在判断对象是否为null时返回false（因为3已执行，对象指向了内存空间，已不为空），然后直接返回实例。但由于此时2还没执行，实例并未完全初始化，只是分配了内存空间，就会导致使用对象时出现错误（引用逃逸）。

注意：final字段不能保证初始化过程中的可见性，也无法禁止指令重排序！

而voliate关键字可以通过内存屏障禁止指令重排序，保证创建对象时的123步骤按顺序执行，从而解决上述问题。

写在最后

其实单例模式还有其他的实现方式，比如spring容器的单例实现，用局部变量避免指令重排序来提高性能（一种特殊的避免指令重排序的方法）：

Spring还有一种单例的登记式注册表实现，有兴趣的同学可以自行搜索。