面试处处都是坑啊？让实现线程安全的单例，又不让用synchronized面试Java架构师联盟-

单例模式，是Java中比较常见的一个设计模式，也是我在面试时经常会问到的一个问题。

经过我的初步统计，基本上有60%左右的人可以说出2-4种单例的实现方式，有40%左右的人可以说出5-6种单例的实现方式，只有20%左右的人能够说出7种单例的实现。

而只有不到1%的人能够说出7种以上的单例实现。

其实，作为面试官，我大多数情况下之所以问单例模式，是因为这个题目可以问到很多知识点。

比如线程安全、类加载机制、synchronized的原理、volatile的原理、指令重排与内存屏障、枚举的实现、反射与单例模式、序列化如何破坏单例、CAS、CAS的ABA问题、Threadlocal等知识。

一般情况下，只需要从单例开始问起，大概就可以完成一场面试的整个流程，把我想问的东西都问完，可以比较全面的了解一个面试者的水平。

以下，是一次面试现场的还原，从单例模式开始：

Q：你知道怎么不使用synchronized和lock实现一个线程安全的单例吗？

A：我知道，可以使用”静态内部类”实现。

静态内部类实现单例模式：

Q：除了静态内部类还会其他的方式吗？

A：还有就是两种饿汉模式。

饿汉实现单例模式：

饿汉变种实现单例模式：

Q：那你上面提到的几种都是线程安全的吗？

A：是线程安全的

Q：那是如何做到线程安全的呢？

A：应该是因为我使用了static，然后类加载的时候就线程安全了吧？

Q：其实你说的并不完全对，因为以上几种虽然没有直接使用synchronized，但是也是间接用到了。

（这里面根据回答情况会朝两个不同的方向展开：1、类加载机制、模块化等；2、继续深入问单例模式）

类加载过程的线程安全性保证

以上的静态内部类、饿汉等模式均是通过定义静态的成员变量，以保证单例对象可以在类初始化的过程中被实例化。

这其实是利用了ClassLoader的线程安全机制。ClassLoader的loadClass方法在加载类的时候使用了synchronized关键字。

所以， 除非被重写，这个方法默认在整个装载过程中都是线程安全的。所以在类加载过程中对象的创建也是线程安全的。

Q：那还回到刚开始的问题，你知道怎么不使用synchronized和lock实现一个线程安全的单例吗？

（并不是故意穷追不舍，而是希望能可以引发面试者的更多思考）

A：额、、、那枚举吧，枚举也可以实现单例。

枚举实现单例模式：

Q：那你知道枚举单例的原理吗？如何保证线程安全的呢？

枚举单例的线程安全问题

枚举其实底层是依赖Enum类实现的，这个类的成员变量都是static类型的，并且在静态代码块中实例化的，和饿汉有点像， 所以他天然是线程安全的。

Q：所以，枚举其实也是借助了synchronized的，那你知道哪种方式可以完全不使用synchronized的吗？

A：en….我想想

Q：（过了一会他好像没有思路）你知道CAS吗？使用CAS可以实现单例吗？

（面试中，如果面试者对于锁比较了解的话，那我大多数情况下都会继续朝两个方向深入问：1、锁的实现原理；2、非锁，如CAS、ThreadLocal等）

A：哦，我知道，CAS是一项乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新一个变量时，只有其中一个线程能更新成功。

借助CAS（AtomicReference）实现单例模式：

Q：使用CAS实现的单例有没有什么优缺点呀？

A：用CAS的好处在于不需要使用传统的锁机制来保证线程安全，CAS是一种基于忙等待的算法，依赖底层硬件的实现，相对于锁它没有线程切换和阻塞的额外消耗，可以支持较大的并行度。

Q：你说的好像是优点？那缺点呢？

CAS实现的单例的缺点

CAS的一个重要缺点在于如果忙等待一直执行不成功(一直在死循环中)，会对CPU造成较大的执行开销。

另外，代码中，如果N个线程同时执行到 singleton = new Singleton();的时候，会有大量对象被创建，可能导致内存溢出。

Q：好的，除了使用CAS以外，你还知道有什么办法可以不使用synchronized实现单例吗？

A：这回真的不太知道了。

Q：（那我再提醒他一下吧）可以考虑下ThreadLocal，看看能不能实现？

（面试者没有思路的时候，我几乎都会先做一下提醒，实在没有思路再换下一个问题）

A：ThreadLocal？这也可以吗？

Q：你先说下你理解的ThreadLocal是什么吧

（通过他的回答，貌似对这个思路有些疑惑，不着急。先问一个简单的问题，让面试者放松一下，找找自信，然后再继续问）

ThreadLoacal

ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。对于多线程资源共享的问题，同步机制(synchronized)采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。

同步机制仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而ThreadLocal为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

Q：那理论上是不是可以使用ThreadLocal来实现单例呢？

A：应该也是可行的。

使用ThreadLocal实现单例模式：

Q：嗯嗯，好的，那有关单例模式的实现的问题我就问的差不多了。

(ThreadLocal这种写法主要是考察面试者对于ThreadLocal的理解，以及是否可以把知识活学活用，但是实际上，这种所谓的”单例”，其实失去了单例的意义…)

（但是说实话，能回答到这一题的人很少，大多数面试者基本上在前面几道题就已经没有思路了，大多数情况下根本不会问到这个问题就要改方向了）

A：（心中窃喜）嗯嗯，学习到很多，感谢

Q：那…你知道如何破坏单例吗？

（单例问题，必问的一个。通过这个引申到序列化和反射的相关知识）

A：(额….)

内心一万头神兽胡腾而过，真想站起来手撕面试官啊，但是还要平心静气的回答

破坏单列模式的方式

1. 反射
2. 序列和反序列化

这里我以静态内部类单例来举例，先看下静态内部类单例的代码

 public class LazyInnerClassSingleton { // 私有的构造方法 private LazyInnerClassSingleton(){} // 公有的获取实例方法 public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){ return LazyHolder.LAZY; } // 静态内部类 private static class LazyHolder{ private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton(); } }

03、反射破坏单例模式

我们来看代码

 public static void main(String[] args) { try { //很无聊的情况下，进行破坏 Class<?> clazz = LazyInnerClassSingleton.class; //通过反射拿到私有的构造方法 Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null); //因为要访问私有的构造方法，这里要设为true，相当于让你有权限去操作 c.setAccessible(true); //暴力初始化 Object o1 = c.newInstance(); //调用了两次构造方法，相当于 new 了两次 Object o2 = c.newInstance(); //这里输出结果为false System.out.println(o1 == o2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }

输出为false，说明内存地址不同，就是实例化了多次，破坏了单例模式的特性。

04、防止反射破坏单例模式

通过上面反射破坏单例模式的代码，我们可以知道，反射也是通过调用构造方法来实例化对象，那么我们可以在构造函数里面做点事情来防止反射，我们把静态内部类单例的代码改造一下，看代码

 public class LazyInnerClassSingleton { // 私有的构造方法 private LazyInnerClassSingleton(){ // 防止反射创建多个对象 if(LazyHolder.LAZY != null){ throw new RuntimeException("不允许创建多个实例"); } } // 公有的获取实例方法 public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){ return LazyHolder.LAZY; } // 静态内部类 private static class LazyHolder{ private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton(); } }

这样我们在通过反射创建单例对象的时候，多次创建就会抛出异常

 java.lang.reflect.InvocationTargetException at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method) at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(NativeConstructorAccessorImpl.java:62) at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45) at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:423) at com.cl.singleton.LazySingletonTest.main(LazySingletonTest.java:68) Caused by: java.lang.RuntimeException: 只能实例化1个对象 at com.cl.singleton.LazyInnerClassSingleton.<init>(LazyInnerClassSingleton.java:18) ... 5 more

序列化破坏单例模式

用序列化的方式,需要在静态内部类(LazyInnerClassSingleton) 实现 Serializable 接口，代码在下面的防止序列化破坏单例模式里面

这里我们先来看下序列和反序列的代码

 //序列化创建单例类 public static void main(String[] args) { LazyInnerClassSingleton s1 = null; //通过类本身获得实例对象 LazyInnerClassSingleton s2 = LazyInnerClassSingleton.getInstance(); FileOutputStream fos = null; try { //序列化到文件中 fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj"); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos); oos.writeObject(s2); oos.flush(); oos.close(); //从文件中反序列化为对象 FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj"); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis); s1 = (LazyInnerClassSingleton) ois.readObject(); ois.close(); //对比结果,这里输出的结果为false System.out.println(s1 == s2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }

结果为false，说明也破坏了单例模式

06、防止序列化破坏单例模式

这里我们先来看下改造后的代码，然后分析原理

 public class LazyInnerClassSingleton implements Serializable { private static final long serialVersionUID = -4264591697494981165L; // 私有的构造方法 private LazyInnerClassSingleton(){ // 防止反射创建多个对象 if(LazyHolder.LAZY != null){ throw new RuntimeException("只能实例化1个对象"); } } // 公有的获取实例方法 public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){ return LazyHolder.LAZY; } // 静态内部类 private static class LazyHolder{ private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton(); } // 防止序列化创建多个对象,这个方法是关键 private Object readResolve(){ return LazyHolder.LAZY; } }

在执行上面序列和反序列化代码，输出true，是不是一脸懵逼，为什么加了一个readResolve方法，就能防止序列化破坏单例模式，下面就带着大家来看下序列化的源码：

 public final Object readObject()throws IOException, ClassNotFoundException{ if (enableOverride) { return readObjectOverride(); } // if nested read, passHandle contains handle of enclosing object int outerHandle = passHandle; try { //看这里,看这里,就是我readObject0 Object obj = readObject0(false); handles.markDependency(outerHandle, passHandle); ClassNotFoundException ex = handles.lookupException(passHandle); if (ex != null) { throw ex; } if (depth == 0) { vlist.doCallbacks(); } return obj; } finally { passHandle = outerHandle; if (closed && depth == 0) { clear(); } } }

然后我们看下 readObject0 这个方法

 private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException { ... //主要是这个判断 case TC_OBJECT: //然后进入readOrdinaryObject这个方法 return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared)); ... }

然后我们看下readOrdinaryObject 这个方法

 private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)throws IOException{ ... Object obj; try { //这里判断是否有无参的构造函数,有的话就调用newInstance()实例化对象 obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null; ... if (obj != null && handles.lookupException(passHandle) == null && desc.hasReadResolveMethod()) { Object rep = desc.invokeReadResolve(obj); ... }

这里的关键是desc.hasReadResolveMethod() ，这段代码的意思是查看你的单例类里面有没有readResolve方法，有的话就利用反射的方式执行这个方法，具体是desc.invokeReadResolve(obj)这段代码，返回单例对象。这里其实是实例化了两次，只不过新创建的对象没有被返回而已。如果创建对象的动作发生频率增大，就意味着内存分配开销也就随之增大，这也算是一个缺点吧。

Q：好了，你可以去跟人事交流一下入职的手续了

至此，面试结束，哈哈哈哈，offer到手，简单吗？不简单，难嘛？不难

但是真的需要平时的积累和学习，这样才能针对面试官问题，回答出让他无可挑剔的答案

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