面試中單例模式有幾種寫法,面試模式幾種寫法
“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”。編程最大的樂趣在於“know everything, control everything”。
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”。
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// 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; } |
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,一直到執行個體被第一次訪問,才需要初始化單例;小壞處是寫起來麻煩,大壞處是線程不安全,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,單線程環境下,基礎飽漢是猴哥最喜歡的寫法。但多線程環境下,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線程不安全的問題。
飽漢 – 變種 1
最粗暴的犯法是用synchronized關鍵字修飾getInstance()方法,這樣能達到絕對的安全執行緒。
// 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; } } |
變種1的好處是寫起來簡單,且絕對安全執行緒;壞處是並發效能極差,事實上完全退化到了串列。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()完全變成了串列操作。效能不敏感的情境建議使用。
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;
}
}
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+安全執行緒。可惜的是,正如注釋中所說,DCL仍然是線程不安全的,由於指令重排序,你可能會得到“半個對象”。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“半個對象”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;
}
}
多線程環境下,變種3更適用於效能敏感的情境。但後面我們將瞭解到,就算是安全執行緒的,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;
}
}
餓漢的好處是天生的安全執行緒(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,單線程環境下,餓漢與飽漢在效能上沒什麼差別;但多線程環境下,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安全執行緒;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,足夠方便和安全執行緒;通過靜態Holder類持有真正執行個體,間接實現了懶載入。
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// Holder模式 // ThreadSafe public class Singleton3 { private static class SingletonHolder { private static final Singleton3 singleton = new Singleton3(); private SingletonHolder() { } } private Singleton3() { } public synchronized static Singleton3 getInstance() { return SingletonHolder.singleton; } } |
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。
枚舉模式
用枚舉實現單例模式,相當好用,但可讀性是不存在的。
基礎的枚舉
將枚舉的靜態成員變數作為單例的執行個體:
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// 枚舉 // ThreadSafe public enum Singleton4 { SINGLETON; } |
代碼量比餓漢模式更少。但使用者只能直接存取執行個體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Factory 方法的優點,如無法實現懶載入。
醜陋但好用的文法糖
Java的枚舉是一個“醜陋但好用的文法糖”。
枚舉型單例模式的本質
通過反編譯(jad,源碼|String拼接操作”+”的最佳化?也用到了)開啟文法糖,就看到了枚舉類型的本質,簡化如下:
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// 枚舉 // ThreadSafe public class Singleton4 extends Enum<Singleton4> { ... public static final Singleton4 SINGLETON = new Singleton4(); ... |
本質上和餓漢模式相同,區別僅在於公有的靜態成員變數。
用枚舉實現一些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:雖然枚舉相當靈活,但如何恰當的使用枚舉有一定難度。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,枚舉型單例的本質仍然是一個普通的類。實際上,我們可以在枚舉型型單例上增加任何普通類可以完成的功能。要點在於枚舉執行個體的初始化,可以理解為執行個體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人成員變數,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:
// 枚舉
// 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;
}
}
這樣,枚舉類Singleton4_1中的每一個枚舉執行個體不僅繼承了父類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人構造器,建立新的執行個體破壞單例模式。此時,只有枚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:
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。
長按識別二維碼關注