Java 面试之单例模式

前言

单例模式是 23 种 GOF(设计模式) 中最简单的一种设计模式，也是最经典的一种设计模式。在 Java 面试中，可以说是必问的一个知识点了。接下来我们就来具体说一说。

面试官：对设计模式熟悉吗？你工作中用过哪些设计模式呢？

应聘者：工作常用的有单例模式，工厂模式，责任链模式，代理模式 ...

面试官：哦！既然你说到了单例模式，那你说说看什么是单例模式？为什么要用单例模式? 有几种单例模式？使用的时候要注意什么？

面试官一般情况下都是通过上面一段对话，切入到单例模式这个知识点的。

什么是单例模式？

简单来说，单列模式是为了保证某个对象在程序的生命周期内，在内存中只存在一个实例。即一个类只有一个对象。

为什么要用单例模式？

使用单例模式无非是为了提高代码的执行性能，我们可以从下面两点谈起：

1.节省内存资源
2.节省时间（分配对象的时间）

首先是节省内存资源，对于程序中一些大对象，这些对象占用内存较大，频繁创建不但内存开销增大，还会耗费很多内存分配的时间，另外，会触发频繁的 GC（垃圾回收），GC 又会增加时间开销，情况严重的，可能还会发生 Full GC, 导致程序主线程阻塞，这些都是不可容忍的。单列模式正是在这种情况下孕育而生的。

有几种单例模式？

通常情况下我们说 5 种就可以了，但是为了显示我们知识面宽泛，我们可以这样说：

应聘者：单例模式细分的话有 7 种，但是严格来讲只有五种。先说说细分的的七种：

第一种：懒汉，线程不安全

public class Singleton {  

  private static Singleton instance;  
  
  private Singleton (){}   
  
  public static Singleton getInstance() {  
  if (instance == null) {  
    instance = new Singleton();}  
  return instance;  
  }  
}

这种写法是懒加载的写法，比较致命的是，在多线程情况下，会出现多次实例化 Singleton 对象。

第二种：懒汉，线程安全的

public class Singleton {
  private static Singleton instance;
  private Singleton (){}

  public static synchronized Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new Singleton();}
    return instance;
  }
}

这种写法能够很好的运行在多线程的环境中，也具备懒汉加载的优势，但是，很遗憾的是，效率很低，99% 的情况下不需要同步。

第三种：饿汉式

public class Singleton {  

   private static Singleton instance = new Singleton();  
   
   private Singleton (){}
   
   public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
}

这种方式是基于 java 类加载机制避免了多线程同步的问题，不过正因为如此，实例在装载时就实例化，而且导致实例化的原因还有很多种，有时候，我们是不愿意将其实例化的。而且单例模式大多数实例化都是调用 getInstance() 方法，违背了懒加载的设计。

注意1：这里面试官可能还会问你：instance 什么时候被初始化？

instance 在类被加载的时候就会被初始化，说到类的加载，在 JVM 虚拟机规范中并没有强制性约束在什么具体时间加载类，但是关于类的初始化，虚拟机严格规定了有且只有 4 种情况，分别是遇到下面 4 条字节码指定时：

1. new
1. getStatic
1. putStatic
1. invokeStatic

遇到上面 4 种字节指定码时，若类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

至于什么时候生成上述 4 条指令，分别对应下面场景：

1.使用new关键字实例化对象 ==> 对应 new 指令；
2.读取一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放在常量池的静态字段除外）==> 对应 getStatic 指令；
3.设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放在常量池的静态字段除外）==> 对应 putStatic 指令；
4.调用一个类的静态方法 ==> 对应 invokeStatic 指令；

注意2：面试官可能还会问到你 JVM 类的加载机制？

这个时候你可以聊聊 classloader 双亲委派模型，这里不多赘述。

第四种: 饿汉，变种

public class Singleton {  
    private Singleton instance = null;  

    static {  
      instance = new Singleton();
    }  

    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance() {  
    return this.instance;  
    }  
}

这里利用了 static 块来实例化对象，实际上和第三种差不多。

第五种：静态内部类

public class Singleton {  

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

    private Singleton (){}

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

这种方式同样利用了 classloder 的机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第三种和第四种方式不同的是（很细微的差别）：第三种和第四种方式是只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为我不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。

第六种：枚举

 public enum Singleton {  
   INSTANCE;  
   public void whateverMethod(){}  
 }

这种方式是《Effective Java》作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还能自动避免序列化 / 反序列化攻击，以及反射攻击 (枚举类不能通过反射生成)。

第七种: 双重校验锁（DCL）

public class Singleton {  

    private volatile static Singleton singleton;  

    private Singleton (){}   

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

这个是第二种方式的升级版，俗称双重检查锁定。通过在 synchronized 的外面增加一层判断，就可以在对象一经创建以后，不再进入 synchronized 同步块。这种方案不仅减小了锁的粒度，保证了线程安全，性能方面也得到了大幅提升。

同时你还需要说说 volidate 这个关键词的作用是为了防止 JVM 指令重排，具体可以阅读我的另一篇文章《你必须知道的 volatile 关键字》。

总结

不过一般来说，第一种不算单例，第四种和第三种就是一种，如果算的话，第五种也可以分开写了。所以说，一般单例都是五种写法。

1.懒汉
2.饿汉
3.双重校验锁（DCL）
4.枚举
5.静态内部类

Java 面试之单例模式

什么是单例模式？

为什么要用单例模式？

有几种单例模式？

总结

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