面試中單例模式有幾種寫法？

monkeysayhi發表於2019-03-04
面試單例模式

“你知道茴香豆的‘茴’字有幾種寫法嗎？”

糾結單例模式有幾種寫法有用嗎？有點用，面試中經常選擇其中一種或幾種寫法作為話頭，考查設計模式和coding style的同時，還很容易擴充套件到其他問題。這裡講解幾種猴哥常用的寫法，但切忌生搬硬套，去記“茴香豆的寫法”。程式設計最大的樂趣在於“know everything, control everything”。

JDK版本：oracle java 1.8.0_102

大體可分為4類，下面分別介紹他們的基本形式、變種及特點。

飽漢模式

飽漢是變種最多的單例模式。我們從飽漢出發，通過其變種逐漸瞭解實現單例模式時需要關注的問題。

基礎的飽漢

飽漢，即已經吃飽，不著急再吃，餓的時候再吃。所以他就先不初始化單例，等第一次使用的時候再初始化，即“懶載入”。

// 飽漢
// UnThreadSafe
public class Singleton1 {
  private static Singleton1 singleton = null;

  private Singleton1() {
  }

  public static Singleton1 getInstance() {
    if (singleton == null) {
      singleton = new Singleton1();
    }
    return singleton;
  }
}複製程式碼

飽漢模式的核心就是懶載入。好處是更啟動速度快、節省資源，一直到例項被第一次訪問，才需要初始化單例；小壞處是寫起來麻煩，大壞處是執行緒不安全，if語句存在競態條件。

寫起來麻煩不是大問題，可讀性好啊。因此，單執行緒環境下，基礎飽漢是猴哥最喜歡的寫法。但多執行緒環境下，基礎飽漢就徹底不可用了。下面的幾種變種都在試圖解決基礎飽漢執行緒不安全的問題。

飽漢 – 變種 1

最粗暴的犯法是用synchronized關鍵字修飾getInstance()方法，這樣能達到絕對的執行緒安全。

// 飽漢
// ThreadSafe
public class Singleton1_1 {
  private static Singleton1_1 singleton = null;

  private Singleton1_1() {
  }

  public synchronized static Singleton1_1 getInstance() {
    if (singleton == null) {
      singleton = new Singleton1_1();
    }
    return singleton;
  }
}複製程式碼

變種1的好處是寫起來簡單，且絕對執行緒安全；壞處是併發效能極差，事實上完全退化到了序列。單例只需要初始化一次，但就算初始化以後，synchronized的鎖也無法避開，從而getInstance()完全變成了序列操作。效能不敏感的場景建議使用。

飽漢 – 變種 2

變種2是“臭名昭著”的DCL 1.0。

針對變種1中單例初始化後鎖仍然無法避開的問題，變種2在變種1的外層又套了一層check，加上synchronized內層的check，即所謂“雙重檢查鎖”（Double Check Lock，簡稱DCL）。

// 飽漢
// UnThreadSafe
public class Singleton1_2 {
  private static Singleton1_2 singleton = null;

  private Singleton1_2() {
  }

  public static Singleton1_2 getInstance() {
    // may get half object
    if (singleton == null) {
      synchronized (Singleton1_2.class) {
        if (singleton == null) {
          singleton = new Singleton1_2();
        }
      }
    }
    return singleton;
  }
}複製程式碼

變種2的核心是DCL，看起來變種2似乎已經達到了理想的效果：懶載入+執行緒安全。可惜的是，正如註釋中所說，DCL仍然是執行緒不安全的，由於指令重排序，你可能會得到“半個物件”。詳細在看完變種3後，可參考猴子之前的一篇文章，這裡不再贅述。

參考：volatile關鍵字的作用、原理

飽漢 – 變種 3

變種3專門針對變種2，可謂DCL 2.0。

針對變種3的“半個物件”問題，變種3在instance上增加了volatile關鍵字，原理見上述參考。

// 飽漢
// ThreadSafe
public class Singleton1_3 {
  private static volatile Singleton1_3 singleton = null;

  private Singleton1_3() {
  }

  public static Singleton1_3 getInstance() {
    if (singleton == null) {
      synchronized (Singleton1_3.class) {
        // must be a complete instance
        if (singleton == null) {
          singleton = new Singleton1_3();
        }
      }
    }
    return singleton;
  }
}複製程式碼

多執行緒環境下，變種3更適用於效能敏感的場景。但後面我們將瞭解到，就算是執行緒安全的，還有一些辦法能破壞單例。

餓漢模式

與飽漢相對，餓漢很餓，只想著儘早吃到。所以他就在最早的時機，即類載入時初始化單例，以後訪問時直接返回即可。

// 餓漢
// ThreadSafe
public class Singleton2 {
  private static final Singleton2 singleton = new Singleton2();

  private Singleton2() {
  }

  public static Singleton2 getInstance() {
    return singleton;
  }
}複製程式碼

餓漢的好處是天生的執行緒安全（得益於類載入機制），寫起來超級簡單，使用時沒有延遲；壞處是有可能造成資源浪費（如果類載入後就一直不使用單例的話）。

值得注意的時，單執行緒環境下，餓漢與飽漢在效能上沒什麼差別；但多執行緒環境下，由於飽漢需要加鎖，餓漢的效能反而更優。

Holder模式

我們既希望利用餓漢模式中靜態變數的方便和執行緒安全；又希望通過懶載入規避資源浪費。Holder模式滿足了這兩點要求：核心仍然是靜態變數，足夠方便和執行緒安全；通過靜態的Holder類持有真正例項，間接實現了懶載入。

// Holder模式
// ThreadSafe
public class Singleton3 {
  private static class SingletonHolder {
    private static final Singleton3 singleton = new Singleton3();

    private SingletonHolder() {
    }
  }


  private Singleton3() {
  }

  /**
  * 勘誤：多寫了個synchronized。。
  public synchronized static Singleton3 getInstance() {
    return SingletonHolder.singleton;
  }
  */

  public static Singleton3 getInstance() {
    return SingletonHolder.singleton;
  }
}複製程式碼

相對於餓漢模式，Holder模式僅增加了一個靜態內部類的成本，與飽漢的變種3效果相當（略優），都是比較受歡迎的實現方式。同樣建議考慮。

列舉模式

用列舉實現單例模式，相當好用，但可讀性是不存在的。

基礎的列舉

將列舉的靜態成員變數作為單例的例項：

// 列舉
// ThreadSafe
public enum Singleton4 {
  SINGLETON;
}複製程式碼

程式碼量比餓漢模式更少。但使用者只能直接訪問例項Singleton4.SINGLETON——事實上，這樣的訪問方式作為單例使用也是恰當的，只是犧牲了靜態工廠方法的優點，如無法實現懶載入。

醜陋但好用的語法糖

Java的列舉是一個“醜陋但好用的語法糖”。

列舉型單例模式的本質

通過反編譯（jad，原始碼|String拼接操作”+”的優化？也用到了）開啟語法糖，就看到了列舉型別的本質，簡化如下：

// 列舉
// ThreadSafe
public class Singleton4 extends Enum<Singleton4> {
  ...
  public static final Singleton4 SINGLETON = new Singleton4();
  ...
}複製程式碼

本質上和餓漢模式相同，區別僅在於公有的靜態成員變數。

用列舉實現一些trick

這一部分與單例沒什麼關係，可以跳過。如果選擇閱讀也請認清這樣的事實：雖然列舉相當靈活，但如何恰當的使用列舉有一定難度。一個足夠簡單的典型例子是TimeUnit類，建議有時間耐心閱讀。

上面已經看到，列舉型單例的本質仍然是一個普通的類。實際上，我們可以在列舉型型單例上增加任何普通類可以完成的功能。要點在於列舉例項的初始化，可以理解為例項化了一個匿名內部類。為了更明顯，我們在Singleton4_1中定義一個普通的私有成員變數，一個普通的公有成員方法，和一個公有的抽象成員方法，如下：

// 列舉
// ThreadSafe
public enum Singleton4_1 {
  SINGLETON("enum is the easiest singleton pattern, but not the most readable") {
    public void testAbsMethod() {
      print();
      System.out.println("enum is ugly, but so flexible to make lots of trick");
    }
  };

  private String comment = null;

  Singleton4_1(String comment) {
    this.comment = comment;
  }

  public void print() {
    System.out.println("comment=" + comment);
  }

  abstract public void testAbsMethod();


  public static Singleton4_1 getInstance() {
    return SINGLETON;
  }
}複製程式碼

這樣，列舉類Singleton4_1中的每一個列舉例項不僅繼承了父類Singleton4_1的成員方法print()，還必須實現父類Singleton4_1的抽象成員方法testAbsMethod()。

總結

上面的分析都忽略了反射和序列化的問題。通過反射或序列化，我們仍然能夠訪問到私有構造器，建立新的例項破壞單例模式。此時，只有列舉模式能天然防範這一問題。反射和序列化猴子還不太瞭解，但基本原理並不難，可以在其他模式上手動實現。

下面繼續忽略反射和序列化的問題，做個總結回味一下：

實現方式 關鍵點 資源浪費 執行緒安全 多執行緒環境的效能足夠優化
基礎飽漢 懶載入 否 否 –
飽漢變種1 懶載入、同步 否 是 否
飽漢變種2 懶載入、DCL 否 否 –
飽漢變種3 懶載入、DCL、volatile 否 是 是
餓漢 靜態變數初始化 是 是 是
Holder 靜態變數初始化、holder 否 是 是
列舉 列舉本質、靜態變數初始化 否 是 是

單例模式是面試中的常考點，寫起來非常簡單。一方面考查正確性，看本文分析；一方面考查coding style，參考：程式猿應該記住的幾條基本規則

本文連結：面試中單例模式有幾種寫法？
作者：猴子007
出處：monkeysayhi.github.io
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