面試官:不使用synchronized和lock如何實現一個線程安全的單例?

單例,大家肯定都不陌生,這是Java中很重要的一個設計模式。稍微瞭解一點單例的朋友也都知道實現單例是要考慮併發問題的,一般情況下,我們都會使用synchronized來保證線程安全。

那麼,如果有這樣一道面試題:不使用synchronized和lock,如何實現一個線程安全的單例?你該如何回答?

C類應聘者:可以使用餓漢模式實現單例。如:


面試官:不使用synchronized和lock如何實現一個線程安全的單例?


還有部分程序員可以想到餓漢的變種:


面試官:不使用synchronized和lock如何實現一個線程安全的單例?


使用static來定義靜態成員變量或靜態代碼,藉助Class的類加載機制實現線程安全單例。

面試官:除了這種以外,還有其他方式嗎?

B類應聘者:

除了以上兩種方式,還有一種辦法,就是通過靜態內部類來實現,代碼如下:


面試官:不使用synchronized和lock如何實現一個線程安全的單例?


這種方式相比前面兩種有所優化,就是使用了lazy-loading。Singleton類被裝載了,但是instance並沒有立即初始化。因為SingletonHolder類沒有被主動使用,只有顯示通過調用getInstance方法時,才會顯示裝載SingletonHolder類,從而實例化instance。

面試官:除了這種以外,還有其他方式嗎?

A類應聘者:

除了以上方式,還可以使用枚舉的方式,如:


面試官:不使用synchronized和lock如何實現一個線程安全的單例?


這種方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式,它不僅能避免多線程同步問題,而且還能防止反序列化重新創建新的對象,可謂是很堅強的壁壘。

面試官:以上幾種答案,其實現原理都是利用藉助了類加載的時候初始化單例。即藉助了ClassLoader的線程安全機制。

所謂ClassLoader的線程安全機制,就是ClassLoader的loadClass方法在加載類的時候使用了synchronized關鍵字。也正是因為這樣, 除非被重寫,這個方法默認在整個裝載過程中都是同步的,也就是保證了線程安全。

所以,以上各種方法,雖然並沒有顯示的使用synchronized,但是還是其底層實現原理還是用到了synchronized。

面試官:除了這種以外,還有其他方式嗎?

A類應聘者:

還可以使用Java併發包中的Lock實現

面試官:本質上還是在使用鎖,不使用鎖的話,有辦法實現線程安全的單例嗎?

A+類面試者:

有的,那就是使用CAS。

CAS是項樂觀鎖技術,當多個線程嘗試使用CAS同時更新同一個變量時,只有其中一個線程能更新變量的值,而其它線程都失敗,失敗的線程並不會被掛起,而是被告知這次競爭中失敗,並可以再次嘗試。實現單例的方式如下:


面試官:不使用synchronized和lock如何實現一個線程安全的單例?


面試官:這種方式實現的單例有啥優缺點嗎?

A++類面試者:

用CAS的好處在於不需要使用傳統的鎖機制來保證線程安全,CAS是一種基於忙等待的算法,依賴底層硬件的實現,相對於鎖它沒有線程切換和阻塞的額外消耗,可以支持較大的並行度。

CAS的一個重要缺點在於如果忙等待一直執行不成功(一直在死循環中),會對CPU造成較大的執行開銷。

另外,如果N個線程同時執行到singleton = new Singleton();的時候,會有大量對象創建,很可能導致內存溢出。所以,不建議使用這種實現方式。

面試官:你被錄取了!

PS:文中的例子只是提供個思路,實際工作中不建議使用CAS實現單例。這個問題可以很好的考察面試者的各種知識的綜合運用能力,面試造火箭的典型。

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