Java面试题：不使用锁如何实现线程安全的单例？

面试官问： 不使用锁，如何实现线程安全的单例？

如果不能使用synchronized和lock的话，想要实现单例可以通过饿汉模式、枚举、以及静态内部类的方式实现。

饿汉：

其实都是通过定义静态的成员变量，以保证instance可以在类初始化的时候被实例化。

// 单例模式
// 饿汉式(静态变量)
class Singleton {

    // 1. 构造器私有化
    private Singleton() {}

    // 2. 本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton(); // 静态变量

    // 3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

但是，如果从始至终未使用过这个实例，会造成内存浪费

静态内部类：

这种方式和饿汉方式只有细微差别，只是做法上稍微优雅一点。

// 静态内部类实现
class Singleton {

    // 构造器私有化
    private Singleton() {}

    // 写一个静态内部类，含一个静态属性Singleton
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供一个静态的公有方法，直接返回SingleInstance.INSTANCE
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

原理和饿汉一样。这种方式是Singleton类被装载了，INSTANCE 对象不一定被初始化。

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

枚举：

借助了 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式，不仅避免了多线程同步问题，而且还防止反序列化重新创建新的对象

// 枚举实现单例
enum Singleton {

    INSTANCE; // 属性
}

其实，如果把枚举类进行反编译，你会发现他也是使用了static final来修饰每一个枚举项。

final class Singleton extends Enum
{

    public static final Singleton INSTANCE;
    private static final Singleton $VALUES[];

    public static Singleton[] values()
    {
        return (Singleton[])$VALUES.clone();
    }

    public static Singleton valueOf(String name)
    {
        return (Singleton)Enum.valueOf(cn/itsource/logweb/utils/Singleton, name);
    }

    private Singleton(String s, int i)
    {
        super(s, i);
    }

    static 
    {
        INSTANCE = new Singleton("INSTANCE", 0);
        $VALUES = (new Singleton[] {
            INSTANCE
        });
    }
}

其实，上面三种方式，都是依赖静态数据在类初始化的过程中被实例化这一机制的。

但是，如果真要较真的话，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（线程安全的）。

那么，除了上面这三种，还有一种无锁的实现方式，那就是CAS。

public class Singleton {
    // 使用了 AtomicReference 封装单例对象 
    private static final AtomicReference INSTANCE = new AtomicReference(); 

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        while (true) {
            // 使用 AtomicReference.get 获取
            Singleton singleton = INSTANCE.get();
            if (null != singleton) {
                return singleton;
            }
            // 使用 CAS 乐观锁进行非阻塞更新
            singleton = new Singleton();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
                return singleton;
            }
        }
    }
}

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。 

但是我们的实现方式中，用了一个while循环一直在进行重试，所以，这种方式有一个比较大的缺点在于，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。