面试官真是搞笑！让实现线程安全的单例，又不让使用synchronized！

文章来源于公众号程序员面试现场，作者面试现场

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：

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

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：

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

饿汉变种实现单例模式：

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

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：

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

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：

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;
            }
        }
    }
}

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：

public class Singleton {
     private static final ThreadLocal<Singleton> singleton =
     new ThreadLocal<Singleton>() {
         @Override
         protected Singleton initialValue() {
            return new Singleton();
         }
     };
     public static Singleton getInstance() {
        return singleton.get();
     }
     
     private Singleton() {}
}

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....)