写个单例模式,面试官想考察的是什么

  我担任面试官时,很喜欢请候选人写一个单例模式,貌似波澜不惊的问题能考察出很多 Java 基础问题。

1 基础单例模式 (正确姿势)

  首先面试官请候选人写一个单例模式,于是很多同学就会写出如下代码:

public class SingleInstance {
    private static SingleInstance instance = new SingleInstance();
    private SingleInstance() {}
    public static SingleInstance getInstance() {
        return instance;
    }
}

  恭喜你,这是最基础的线程安全的单例模式,答对了。

要点:

  • 单例模式需要有一个 private 构造函数,避免客户端直接 new 出对象;
  • 静态方法 getInstance() 需要考虑多线程访问时的竞争问题,但是静态成员变量在对象构造时生成,优先与实例方法的调用,于是多线程冲突被巧妙的避免了。

2 延迟构造的单例模式(正确姿势但略有瑕疵)

  方法1中的实例是在构造时创建的,于是,面试官继续提问,如果instance需要延迟构造,需要怎么修改?
  于是,LazyInit的单例模式如下,使用时再构造对象。

要点:

  • getInstance 是一个同步方法(synchronized),使用对象锁,避免多线程导致的问题。
public class SingleInstance {
    private static SingleInstance instance ;
    private SingleInstance() {}
    public static synchronized SingleInstance getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingleInstance();
        }
        return instance;
    }
}

2.1 延迟构造的单例模式(错误姿势)

  然后,面试官继续提问,这种实现方式有效率问题,例如非首次调用getInstance时,大量线程只希望获取一个已经构造完成的对象,但是也被迫等待,顺序完成。如何修改能提高效率。
  于是,网上流传很广泛,可以说臭名昭著双重检查锁(Double Checked Lock, DCL)的方案很可能会被写出来:

public class SingleInstance {
    private static SingleInstance instance ;
    private SingleInstance() {}
    public static SingleInstance getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingleInstance.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingleInstance();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

要点:

  • DCL模式去掉了 getInstance 的 synchronized 修饰符,这样instance != null 时,大量线程不用获取锁并等待,提高了效率;
  • 如果 instance == null ,获取class 的类锁,初始化 instance。

问题点:

   上述设计貌似巧妙,实际上却是有问题的:如下简单的赋值语句,在JAVA中并不是原子操作。

instance = new SingleInstance();

   该语句可以抽象为如下三个操作,而这三个操作中 2 和 3 可能发生指令重排:先给 instance 分配一个内存,再对内存进程初始化。

memory =allocate();    //1:分配对象的内存空间 
ctorInstance(memory);  //2:初始化对象 
instance = memory;      //3:设置instance指向刚分配的内存地址

   于是回过头来看DCL形式的方案:

  • 线程A 在初始化 instance 对象的时,给instance分配了内存,但并未完成初始化;
  • 线程B 判断 instance 对象不为空,结果取走了一个未初始化完成的 instance;类似 C 语言中常见的野指针现象。

2.2 DCL单例模式(正确姿势)

   那么正确的 DCL 应该如何修改。在 JAVA 1.5 版本之后,volatile 关键字可以保证字段可见性的同时,防止编译器进行指令重排。但是volatile并不能保证操作的原子性,所以锁还是要加的。上述 DCL 模式修改一行即可:

private static volatile SingleInstance instance ;

   但是,这种双重检查的代码还是令人不爽,有没有更优雅的实现形式呢?

3 延迟初始化占位类模式 (正确姿势)

  《Java 并发编程实践》中提供了一种Holder类的的模式,很好的解决了延迟加载和多线程访问的问题:

public class SingleInstance {
    private static class SingleInstanceHolder {
        public static SingleInstance instance = new SingleInstance();
    }
    private SingleInstance() {};
    public static SingleInstance getInstance() {
        return SingleInstanceHolder.instance;
    }
}

要点:

  • 提供一个静态内部类 Holder,getInstance时才会Holder对象才会构造;Java 虚拟机会保证对象构造完成优先与线程访问,防止多线程冲突问题。

总结

  面试官考察单例模式,着眼点并不在于考察设计模式本身,面试官预留的“坑”在多线程访问方面:

  • 初级候选人应当正确写出模式一,或者模式二,具备设计模式和多线程访问的基本知识。
  • 中高级候选人应当正确理解 volatile synchronized final 等基本语义,具备JAVA 内存模型的基本知识,了解指令重排,变量可见性等概念,设计线程安全的类。

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