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不使用synchronized和lock,如何实现一个线程安全的单例?

背景

单例,大家肯定都不陌生,这是Java中很重要的一个设计模式。稍微了解一点单例的朋友也都知道实现单例是要考虑并发问题的,一般情况下,我们都会使用synchronized来保证线程安全。

那么,如果有这样一道面试题:不使用synchronized和lock,如何实现一个线程安全的单例?你该如何回答?

实现

C类应聘者:可以使用饿汉模式实现单例

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

还有部分程序员可以想到饿汉的变种

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public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
static {
instance = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
return this.instance;
}
}

使用static来定义静态成员变量或静态代码,借助Class的类加载机制实现线程安全单例。

B类应聘者:除了以上两种方式,还有一种办法,就是通过静态内部类来实现,代码如下:

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public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

这种方式相比前面两种有所优化,就是使用了lazy-loading。Singleton类被装载了,但是instance并没有立即初始化。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。

A类应聘者:除了以上方式,还可以使用枚举的方式

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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,而且还能防止反序列化重新创建新的对象,可谓是很坚强的壁垒。

  • 以上几种答案,其实现原理都是利用借助了类加载的时候初始化单例。即借助了ClassLoader的线程安全机制。
  • 所谓ClassLoader的线程安全机制,就是ClassLoader的loadClass方法在加载类的时候使用了synchronized关键字。也正是因为这样, 除非被重写,这个方法默认在整个装载过程中都是同步的,也就是保证了线程安全。
  • 所以,以上各种方法,虽然并没有显示的使用synchronized,但是还是其底层实现原理还是用到了synchronized。

A类应聘者:还可以使用Java并发包中的Lock实现

面试官:本质上还是在使用锁,不使用锁的话,有办法实现线程安全的单例吗?

A+类面试者:有的,那就是使用CAS。

CAS是项乐观锁技术,当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。实现单例的方式如下:

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public class Singleton {
private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton>();

private Singleton() {}

public static Singleton getInstance() {
for (;;) {
Singleton singleton = INSTANCE.get();
if (null != singleton) {
return singleton;
}

singleton = new Singleton();
if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
return singleton;
}
}
}
}

面试官:这种方式实现的单例有啥优缺点吗?

A++类面试者:

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