我向面试官讲解了单例模式,他对我竖起了大拇指(二)

简介: 单例模式相信大家都有所听闻,甚至也写过不少了,在面试中也是考得最多的其中一个设计模式,面试官常常会要求写出两种类型的单例模式并且解释其原理,废话不多说,我们开始学习如何很好地回答这一道面试题吧。

这样就规避了两个线程同时创建Singleton对象的风险,但是引来另外一个问题:每次去获取对象都需要先获取锁,并发性能非常地差,极端情况下,可能会出现卡顿现象。接下来要做的就是优化性能:目标是如果没有实例化对象则加锁创建,如果已经实例化了,则不需要加锁,直接获取实例

所以直接在方法上加锁的方式就被废掉了,因为这种方式无论如何都需要先获取锁

public static Singleton getInstance() {
    if (singleton == null) {  // 线程A和线程B同时看到singleton = null,如果不为null,则直接返回singleton
        synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
            if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支,另外一个线程则不会进入该分支
                singleton = new Singleton();
            }
        }
    }
    return singleton;
}

上面的代码已经完美地解决了并发安全 + 性能低效问题:

  • 第 2 行代码,如果 singleton 不为空,则直接返回对象,不需要获取锁;而如果多个线程发现 singleton 为空,则进入分支;
  • 第 3 行代码,多个线程尝试争抢同一个锁,只有一个线程争抢成功,第一个获取到锁的线程会再次判断singleton 是否为空,因为 singleton 有可能已经被之前的线程实例化
  • 其它之后获取到锁的线程在执行到第 4 行校验代码,发现 singleton 已经不为空了,则不会再 new 一个对象,直接返回对象即可
  • 之后所有进入该方法的线程都不会去获取锁,在第一次判断 singleton 对象时已经不为空了

因为需要两次判空,且对类对象加锁,该懒汉式写法也被称为:Double Check(双重校验) + Lock(加锁)

完整的代码如下所示:

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {  // 线程A和线程B同时看到singleton = null,如果不为null,则直接返回singleton
            synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
                if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支,另外一个线程则不会进入该分支
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

上面这段代码已经近似完美了,但是还存在最后一个问题:指令重排


使用 volatile 防止指令重排


创建一个对象,在 JVM 中会经过三步:

(1)为 singleton 分配内存空间

(2)初始化 singleton 对象

(3)将 singleton 指向分配好的内存空间

指令重排序是指:JVM 在保证最终结果正确的情况下,可以不按照程序编码的顺序执行语句,尽可能提高程序的性能

在这三步中,第 2、3 步有可能会发生指令重排现象,创建对象的顺序变为 1-3-2,会导致多个线程获取对象时,有可能线程 A 创建对象的过程中,执行了 1、3 步骤,线程 B 判断 singleton 已经不为空,获取到未初始化的singleton 对象,就会报 NPE 异常。文字较为晦涩,可以看流程图:

34.png

使用 volatile 关键字可以防止指令重排序,其原理较为复杂,这篇文章不打算展开,可以这样理解:使用 volatile 关键字修饰的变量,可以保证其指令执行的顺序与程序指明的顺序一致,不会发生顺序变换,这样在多线程环境下就不会发生 NPE 异常了。

volatile 还有第二个作用:使用 volatile 关键字修饰的变量,可以保证其内存可见性,即每一时刻线程读取到该变量的值都是内存中最新的那个值,线程每次操作该变量都需要先读取该变量。

最终的代码如下所示:

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {  // 线程A和线程B同时看到singleton = null,如果不为null,则直接返回singleton
            synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
                if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支,另外一个线程则不会进入该分支
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}


破坏懒汉式单例与饿汉式单例


无论是完美的懒汉式还是饿汉式,终究敌不过反射和序列,它们俩都可以把单例对象破坏掉(产生多个对象)。


利用反射破坏单例模式


下面是一段使用反射破坏单例模式的例子

public static void main(String[] args) {
    // 获取类的显式构造器
    Constructor<Singleton> construct = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
    // 可访问私有构造器
    construct.setAccessible(true); 
    // 利用反射构造新对象
    Singleton obj1 = construct.newInstance(); 
    // 通过正常方式获取单例对象
    Singleton obj2 = Singleton.getInstance(); 
    System.out.println(obj1 == obj2); // false
}

上述的代码一针见血了:利用反射,强制访问类的私有构造器,去创建另一个对象


利用序列化与反序列化破坏单例模式


下面是一种使用序列化和反序列化破坏单例模式的例子

public static void main(String[] args) {
    // 创建输出流
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("Singleton.file"));
    // 将单例对象写到文件中
    oos.writeObject(Singleton.getInstance());
    // 从文件中读取单例对象
    File file = new File("Singleton.file");
    ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
    Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
    // 判断是否是同一个对象
    System.out.println(newInstance == Singleton.getInstance()); // false
}

两个对象地址不相等的原因是:readObject() 方法读入对象时它必定会返回一个新的对象实例,必然指向新的内存地址。


让面试官鼓掌的枚举实现


我们已经掌握了懒汉式与饿汉式的常见写法了,通常情况下到这里已经足够了。但是,追求极致的我们,怎么能够止步于此,在《Effective Java》书中,给出了终极解决方法,话不多说,学完下面,真的不虚面试官考你了。

在 JDK 1.5 后,使用 Java 语言实现单例模式的方式又多了一种:枚举

枚举实现单例模式完整代码如下:

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void doSomething() {
        System.out.println("这是枚举类型的单例模式!");
    }
}

使用枚举实现单例模式较其它两种实现方式的优势有 3 点,让我们来细品。

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