【面经】详解单例模式

Intent

确保一个类只有一个实例,并提供该实例的全局访问点。

Class Diagram

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例,只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。


Implementation

Ⅰ 懒汉式-线程不安全

以下实现中,私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化,这样做的好处是,如果没有用到该类,那么就不会实例化 uniqueInstance,从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的,如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ,并且此时 uniqueInstance 为 null,那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句,这将导致实例化多次 uniqueInstance。

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public class Singleton {

private static Singleton uniqueInstance;

private Singleton() {
}

public static Singleton getUniqueInstance() {
if (uniqueInstance == null) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
return uniqueInstance;
}
}

Ⅱ 饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次,采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

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private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

Ⅲ 懒汉式-线程安全

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁,那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法,从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

但是当一个线程进入该方法之后,其它试图进入该方法的线程都必须等待,即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长,因此该方法有性能问题,不推荐使用。

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public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
if (uniqueInstance == null) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
return uniqueInstance;
}

Ⅳ 双重校验锁-线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次,之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行,只有当 uniqueInstance 没有被实例化时,才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化,如果没有被实例化,那么才对实例化语句进行加锁。

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public class Singleton {

private volatile static Singleton uniqueInstance;

private Singleton() {
}

public static Singleton getUniqueInstance() {
if (uniqueInstance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (uniqueInstance == null) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
}
}
return uniqueInstance;
}
}

考虑下面的实现,也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下,如果两个线程都执行了 if 语句,那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作,但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句,只是先后的问题,那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁,也就是需要使用两个 if 语句。

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if (uniqueInstance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
}

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的, uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行:

  1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
  2. 初始化 uniqueInstance
  3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出先问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如,线程 T1 执行了 1 和 3,此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空,因此返回 uniqueInstance,但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。

Ⅴ 静态内部类实现

当 Singleton 类加载时,静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载,此时初始化 INSTANCE 实例,并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处,而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

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public class Singleton {

private Singleton() {
}

private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}

public static Singleton getUniqueInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

Ⅵ 枚举实现

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public enum Singleton {

INSTANCE;

private String objName;


public String getObjName() {
return objName;
}


public void setObjName(String objName) {
this.objName = objName;
}


public static void main(String[] args) {

// 单例测试
Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
firstSingleton.setObjName("firstName");
System.out.println(firstSingleton.getObjName());
Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
secondSingleton.setObjName("secondName");
System.out.println(firstSingleton.getObjName());
System.out.println(secondSingleton.getObjName());

// 反射获取实例测试
try {
Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
System.out.println(enumConstant.getObjName());
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
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firstName
secondName
secondName
secondName

该实现在多次序列化再进行反序列化之后,不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段,并且实现序列化和反序列化的方法。

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中,通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public,然后调用构造函数从而实例化对象,如果要防止这种攻击,需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次,因此不会出现上述的反射攻击。

学习效果测评

以下面这种单例模式为例,思考下面的问题,点击链接跳转到答案

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public class Singleton {

private volatile static Singleton uniqueInstance;

private Singleton() {
}

public static Singleton getUniqueInstance() {
if (uniqueInstance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (uniqueInstance == null) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
}
}
return uniqueInstance;
}
}

1:为什么构造函数要用private修饰?

2:为什么要两次判断instance是否为null?

3:volatile有什么作用?放在这个单例中有什么作用?

synchronized 中的 Singleton.class 是什么意思?为什么不是 this?

Java 基本功,getInstance() 是 static 方法!static 方法!static 方法!,所以可以用 this 吗?

Java中每一个对象都可以作为锁,这是synchronized实现同步的基础:

  1. 普通同步方法,锁是当前实例对象
  2. 静态同步方法,锁是当前类的class对象
  3. 同步方法块,锁是括号里面的对象

更详细的内容可以参考深入理解 Java 之 synchronized 到底锁住了什么

Examples

  • Logger Classes
  • Configuration Classes
  • Accesing resources in shared mode
  • Factories implemented as Singletons

JDK

  • java.lang.Runtime#getRuntime()
  • java.awt.Desktop#getDesktop()
  • java.lang.System#getSecurityManager()

参考文献

  • 深入理解 Java 之 synchronized 到底锁住了什么
  • 【死磕Java并发】—–深入分析synchronized的实现原理