后端面试常见问题｜单例模式推荐实现

工作中发现很多同学的单例模式写法不尽相同，高下立判，这也是后端面试的常见问题（至少鱼皮手写过不止一次）。

单例模式又分为懒汉式和饿汉式，这里分享下两种方式的传统实现及优化后的推荐实现（本来想叫“最佳实现”，但网上实现方式太多，比如乐观锁、枚举类等等，就不给自己留坑了）。

懒汉式单例：

特点：当需要使用对象的时候才进行实例化，需要考虑线程安全问题（防止并发访问时生成多个实例），因此需加锁，用时间换空间。

传统实现

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}

    private static Singleton obj;

    // 加锁保证obj只实例化一次，时间换空间
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (obj == null) {
            obj = new Singleton();
        }
        return obj;
    }
}

优化实现

传统实现方式中，每次获取实例都要被synchronized关键字串行化（即使已经生成了实例）。

而我们加锁的目的是为了防止生成多个实例，因此只需对生成实例的代码加锁，生成实例后，可支持并发访问，提高了性能。

代码如下：

class Singleton {
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
    // 最后解释volatile关键字
    private volatile static Singleton obj;

    public static Singleton getInstance(){
        // 已有实例则直接返回，不走锁
        if (obj == null) {
            // 仅在没生成实例时加锁控制，使并发访问串行化
            synchronized (Singleton.class) {
                // 多个线程会按序执行到此处，需要再次检查是否已实例化
                if (obj == null) {
                    obj = new Singleton();
                }
            }
        }
        return obj;
    }
}

由于检查了两次对象是否已实例化，该方法又称“双检锁”，能够同时保证性能及线程安全。

饿汉式单例：

特点：类加载时便实例化对象，拿空间换时间

传统实现

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
    // 类加载时就实例化对象
    private static Singleton obj = new Singleton();
    
    public static Singleton getInstance(){
        return obj;
    }
}

优化实现

传统实现方式中，由于类加载时就实例化对象，因此当我们调用静态方法时，也会进行实例化，从而导致空间的浪费。

由于静态内部类中的对象不会默认加载，直到调用了该内部类的方法，因此可用静态内部类封装静态实例变量。

代码如下：

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}

    // 静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

推荐这种实现，利用static保证线程安全，利用静态内部类节约了空间，实现lazy-loading。

补充下对懒汉式单例volatile关键字的解释（感谢评论指出的错误）：实例的声明有一个voliate关键字，不添加可能出现getInstance为null的情况。

因为new对象不是原子操作，会被编译成如下三条指令：

1. 给实例分配内存

2. 初始化实例的构造

3. 将实际对象指向分配的内存空间（此时实例已经不为空）

正常的思路是123一定按序执行。

但事实时java会进行指令重排序（出自百度：JVM根据处理器的特性，充分利用多级缓存，多核等进行适当的指令重排序，使程序在保证业务运行的同时，充分利用CPU的执行特点，最大的发挥机器的性能）。即jvm执行上面三条指令的时，可能按照132执行。如此当13执行完，2还未执行，如果另外一个线程调用getInstance()，会在第一次判空时返回false（3已执行，对象不为空）然后直接返回实例。但此时2还没执行，实例并未完全初始化，会出现错误（引用逃逸）。注意：final字段不能保证初始化过程中的可见性，也无法禁止指令重排序！

voliate关键字可以禁止指令重排序，保证123顺序执行，能够解决问题。

最后补一张spring容器的单例实现，用局部变量避免指令重排序来提高性能（一种避免指令重排序的方法）：