写个单例模式，面试官想考察的是什么

2023年4月13日 191次阅读来源: TonyBuilder

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。

    原文作者：TonyBuilder
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1 基础单例模式 （正确姿势）

要点：