前言

對(duì)Android開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，相信對(duì)并發(fā)編程知識(shí)的掌握是非常薄弱的，一直是個(gè)人進(jìn)階的軟肋之一。對(duì)于并發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，文縐縐的技術(shù)書(shū)籍和博客，會(huì)比較羞澀難懂。從本文開(kāi)始，嘗試著逐個(gè)攻破并發(fā)編程的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。

由于無(wú)知與惰性，讓我們感覺(jué)摸到了技術(shù)的天花板！

面試10問(wèn)

本文結(jié)合個(gè)人實(shí)際面試經(jīng)驗(yàn)和最近學(xué)習(xí)歸納總結(jié)而出，歡迎各位大佬點(diǎn)贊支持。

通過(guò)面試10問(wèn)，讓大家掌握單例模式的雙重檢查模式和靜態(tài)內(nèi)部類單例模式，并了解其中原理。從原理進(jìn)而引出本文的重點(diǎn)：volatile和synchronized。

第1問(wèn)：平常在Android開(kāi)發(fā)中，有用到哪么設(shè)計(jì)模式么？

當(dāng)時(shí)回答：平常用的比較多的是單例模式、構(gòu)造者模式、工廠模式。尤其是單例模式中雙重檢查模式和靜態(tài)類單例模式；能夠保證多線程對(duì)象唯一，不會(huì)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例導(dǎo)致程序執(zhí)行錯(cuò)誤或影響性能。

解讀：雖然設(shè)計(jì)模式有很多種，個(gè)人來(lái)說(shuō)，經(jīng)常用也就單例模式了。雖然面試前突擊瀏覽復(fù)習(xí)了，然面試一緊張，沒(méi)啥卵用。所以回答一定要往自己了解的說(shuō)，并引導(dǎo)面試官往自己會(huì)的問(wèn)。

第2問(wèn)：在紙上寫(xiě)一下雙重檢查模式和靜態(tài)類單例模式代碼？

心理活動(dòng)：還好面試前自己已經(jīng)默寫(xiě)過(guò)很多遍了，問(wèn)題不大，嘩啦啦的寫(xiě)出來(lái)：

雙重檢查模式：

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
        if (singleton == null) {  
            singleton = new Singleton(); 
             }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}
復(fù)制代碼

靜態(tài)內(nèi)部類模式：

public class Singleton { 
    private Singleton(){
    }
      public static Singleton getSingleton(){  
        return Inner.instance;  
    }  
    private static class Inner {  
        private static final Singleton instance = new Singleton();  
    }  
} 

復(fù)制代碼

寫(xiě)好遞給面試官：雙重檢查模式和單例模式都能夠有效保證線程安全，又都是延時(shí)初始化，能夠減少不必要的性能開(kāi)銷。

第3問(wèn)：雙重檢查模式有什么需要注意地方？

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton() { }  //1

    public static Singleton getSingleton() {   //2
        if (singleton == null) {  // 3.1
            synchronized (Singleton.class) {  //3.2
                if (singleton == null) {  //3.3
                    singleton = new Singleton(); //4 
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}
復(fù)制代碼

答：雙重檢查模式需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 構(gòu)造函數(shù)得私有，禁止其他對(duì)象直接創(chuàng)建實(shí)例；
2. 對(duì)外提供一個(gè)靜態(tài)方法，可以獲取唯一的實(shí)例；
3. 即然是雙重檢查模式，就意味著創(chuàng)建實(shí)例過(guò)程會(huì)有兩層檢查。第一層就是最外層的判空語(yǔ)句：代碼3.1處的if (singleton == null)，該判斷沒(méi)有加鎖處理，避免第一次檢查singleton對(duì)象非null時(shí)，多線程加鎖和初始化操作；當(dāng)前對(duì)象未創(chuàng)建時(shí)，通過(guò)synchronized關(guān)鍵字同步代碼塊，持有當(dāng)前Singleton.class的鎖，保證線程安全，然后進(jìn)行第二次檢查。
4. Singleton類持有的singleton實(shí)例引用需要volatile關(guān)鍵字修飾，因?yàn)樵谧詈笠徊?code>singleton = new Singleton(); 創(chuàng)建實(shí)例的時(shí)候可能會(huì)重排序，導(dǎo)致singleton對(duì)象逸出，導(dǎo)致其他線程獲取到一個(gè)未初始化完畢的對(duì)象。

第4問(wèn)：剛剛講到的第四點(diǎn)，為什么會(huì)有重排序，volatile關(guān)鍵字如何禁止重排序？

答：重排序是指編輯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對(duì)指令序列進(jìn)行重排序的一種手段。只要遵守as -if-serial語(yǔ)義（無(wú)論怎么重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果不會(huì)改變）。所以編譯器為了優(yōu)化性能，可能會(huì)對(duì)下圖中2和3步驟進(jìn)行重排序，這種重排序時(shí)允許的，因?yàn)椴粫?huì)改變單線程（目前只有該線程獨(dú)占該代碼塊）內(nèi)程序的執(zhí)行結(jié)果。

volatile修飾的變量本身具有可見(jiàn)性和原子性，所謂的可見(jiàn)性是指對(duì)一個(gè)volatile變量的讀值，讀到的值是所有線程中最新修改的值；而原子性是指對(duì)單個(gè)變量的讀寫(xiě)具有原子性。之所以會(huì)有這兩個(gè)特性，是因?yàn)闀?huì)在該共享變量的匯編指令之前增加Lock指令，該Lock前綴指令會(huì)在多核處理器做兩件事：

1、將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存；

2、這個(gè)寫(xiě)回內(nèi)存的操作會(huì)使其他處理器里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無(wú)效。

ps：?jiǎn)魏颂幚砥饕粫r(shí)刻只能有一條線程執(zhí)行，多線程是指單核CPU對(duì)不同線程進(jìn)行上下文切換和調(diào)度；多核處理器同一個(gè)時(shí)刻可能多條線程（每個(gè)核一條線程）并發(fā)執(zhí)行， 這時(shí)同步非常重要，現(xiàn)代CPU基本都是多核了。

由于volatie變量的可見(jiàn)性這個(gè)特性使其 寫(xiě)-讀 建立起了happens-before關(guān)系，從內(nèi)存語(yǔ)義的角度上說(shuō)，線程A寫(xiě)一個(gè)volatile變量，實(shí)質(zhì)上是線程A向接下來(lái)將要讀這個(gè)volatiel變量的某個(gè)線程發(fā)出了通知。原理上講的話，在寫(xiě)一個(gè)volatile變量是，JAVA內(nèi)存模型（JMM）會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存；而在讀volatile變量時(shí)，會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無(wú)效，從主內(nèi)存中讀取該變量。線程之間通過(guò)共享程序的volatile變量（共享狀態(tài)），通過(guò)寫(xiě)讀操作共享狀態(tài)進(jìn)行隱式通信。

JMM為了實(shí)現(xiàn)這種volatile內(nèi)存語(yǔ)義，會(huì)限制編譯器和處理器的部分重排序。

為編譯器優(yōu)化制定以下三條規(guī)則 ：

• 第一個(gè)操作是對(duì)volatile變量的讀，無(wú)論第二個(gè)操作是什么，都禁止重排序；
• 第一個(gè)操作是對(duì)volatile變量的寫(xiě)，第二個(gè)操作是對(duì)volatile的讀，禁止重排序；
• 第二個(gè)操作是對(duì)volatile變量的寫(xiě)，無(wú)論第一個(gè)操作是什么，都禁止重排序；

從第2條規(guī)則就可以理解通過(guò)添加volatile關(guān)鍵字修飾單例的引用，可以禁止重排序。

根據(jù)這三條規(guī)則，編譯器會(huì)在生成字節(jié)碼時(shí)，在指令序列插入適當(dāng)?shù)?，保守策略的?nèi)存屏障（一組CPU指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存操作的順序限制）。

• volatile寫(xiě)操作前插入StoreStore屏障；
• volatile寫(xiě)操作后插入StoreLoad屏障；
• volatile讀操作后插入LoadLoad屏障；
• volatile讀操作后插入LoadStore屏障；

以上內(nèi)存屏障時(shí)非常保守，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，也會(huì)進(jìn)行部分優(yōu)化，減少一些不必要的內(nèi)存屏障，以提高性能。不同的處理器會(huì)根據(jù)自身的內(nèi)存模型繼續(xù)優(yōu)化。

ps:JMM是為了屏蔽底層硬件內(nèi)存模型不一致，為頂層開(kāi)發(fā)提供一套標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存模型，讓開(kāi)發(fā)這專注要業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)。

第5問(wèn)：剛剛提到的happens-before規(guī)則，具體怎么說(shuō)來(lái)的？

答：從JDK5開(kāi)始，使用了新的JSR-133內(nèi)存模型，該模型定義了happens-before 規(guī)則：

1. 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作，happens-before于該線程的任意后續(xù)操作；
2. 監(jiān)視器原則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖，happens-before于隨后對(duì)該鎖的加鎖；
3. volatile規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫(xiě)，happens-before 于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀；
4. 傳遞性：如果A happes-before B，B happens-before C,那么A happens-before C；
5. start()原則：線程A執(zhí)行ThreadB.start()操作，start() happens-before 線程B內(nèi)所有操作；
6. jion()原則：如果線程A執(zhí)行 ThreadB.jion()并成功返回，那線程B的所有操作都happens-before 于A從jion()操作成功返回。

第6問(wèn)：規(guī)則第2點(diǎn)講到了鎖，那鎖在雙重檢查單例模式起了什么作用？

答：在代碼3.2處，用到了synchronized 關(guān)鍵字，對(duì)Singletion.Class對(duì)象進(jìn)行了同步,確保了在多線程環(huán)境下只有一個(gè)線程對(duì)Singletion類的Class對(duì)象進(jìn)行實(shí)例化。在Java中，每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖：

1. 對(duì)于普通同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象；
2. 對(duì)于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的Class對(duì)象；
3. 對(duì)于同步方法塊，鎖是Synchoized括號(hào)的Class對(duì)象。

第7問(wèn)：靜態(tài)內(nèi)部類單例模式有沒(méi)有用到鎖？

答：有的，JVM在類的初始化階段（在Class被加載后，且在線程使用之前），會(huì)執(zhí)行類的初始化，JVM會(huì)去獲取一個(gè)鎖，這個(gè)鎖能同步多個(gè)線程對(duì)同一個(gè)類的初始化。

當(dāng)一個(gè)線程A獲取到這個(gè)初始化鎖時(shí)，其他線程想要獲取初始化鎖只能等待；線程A執(zhí)行類靜態(tài)初始化和初始化靜態(tài)字段的過(guò)程，就算發(fā)生類似雙重檢查模式的重排序，對(duì)結(jié)果也沒(méi)有影響，因?yàn)榇藭r(shí)沒(méi)有其他線程可以捕獲到初始化鎖。線程A初始化完畢，釋放鎖并通知等待獲取初始化鎖的線程。根據(jù)happens-befroe關(guān)系中的監(jiān)視器規(guī)則，當(dāng)其他線程獲取到初始鎖時(shí)，已經(jīng)能看到線程A的初始化所有操作，此時(shí)靜態(tài)對(duì)象已經(jīng)初始化完畢，其他線程無(wú)需再初始化。

第8問(wèn)：了解過(guò)鎖的原理，知道鎖存儲(chǔ)在哪么？

答：JVM(Java虛擬機(jī))是基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)方法同步和代碼塊同步的。同步代碼塊使用monitorenter指令在編譯后插入到同步代碼塊的開(kāi)始位置，使用monitorexit插入到同步代碼塊的結(jié)束處或異常處，monitorenter必須有對(duì)應(yīng)monitorexit指令與之配對(duì)。任何對(duì)象都有一個(gè)monitor與之相關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個(gè)monitor被持有后，將處于鎖定狀態(tài)。線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)，將會(huì)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的monitor的所有權(quán)，即獲得對(duì)象的鎖。方法則是在方法的指令前增加ACC_SYNCHRONIZED修飾符。

Synchronized用的鎖是存放在Java的對(duì)象頭;如果對(duì)象是數(shù)組，用3字寬存儲(chǔ)對(duì)象頭，其中一字寬用于存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度；非數(shù)組，則2字寬存儲(chǔ)對(duì)象頭。在32位虛擬機(jī)，1字寬=4字節(jié)=32位。

第9問(wèn)：即然了解過(guò)Java的對(duì)象頭，那應(yīng)該清楚鎖升級(jí)的幾種狀態(tài)吧，說(shuō)一下？

答：在Java SE6，為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗，引入了偏向鎖和輕量級(jí)鎖。意味著此時(shí)鎖從低到高共有四種狀態(tài)：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)。鎖的狀態(tài)是根據(jù)線程對(duì)鎖的競(jìng)爭(zhēng)情況來(lái)定義的。32位JVM運(yùn)行狀態(tài)下，Mark Work的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：

偏向鎖： 線程在大多數(shù)情況下并不存在競(jìng)爭(zhēng)條件，使用同步會(huì)消耗性能，而偏向鎖是對(duì)鎖的優(yōu)化，可以消除同步，提升性能。當(dāng)一個(gè)線程獲得鎖，會(huì)將對(duì)象頭的鎖標(biāo)志位設(shè)為01,進(jìn)入偏向模式.偏向鎖可以在讓一個(gè)線程一直持有鎖，在其他線程需要競(jìng)爭(zhēng)鎖的時(shí)候，再釋放鎖。==》只有一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū)。

輕量級(jí)鎖： 當(dāng)線程A獲得偏向鎖后，線程B進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，需要獲得線程A持有的鎖，那么線程A撤銷偏向鎖，進(jìn)入無(wú)鎖狀態(tài)。線程A和線程B交替進(jìn)入臨界區(qū)，偏向鎖無(wú)法滿足，膨脹到輕量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志位設(shè)為00。==》多個(gè)線程交替進(jìn)入臨界區(qū)。

重量級(jí)鎖： 當(dāng)多線程交替進(jìn)入臨界區(qū)，輕量級(jí)鎖hold得住。但如果多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)，hold不住了，膨脹到重量級(jí)鎖==》多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)。

第10問(wèn)：為什么Synchronized夠用，還要增加Volatile？

Volatile相對(duì)Synchronized來(lái)說(shuō)在同步上比較輕量級(jí)，能夠有效降低CPU頻繁的線程上下文切換和調(diào)度。同時(shí)，Volatile的原子操作是針對(duì)單個(gè)volatile變量的寫(xiě)讀操作，無(wú)法和Sychronized對(duì)整個(gè)方法或代碼塊起的作用相比較。

總結(jié)

基本每一問(wèn)都會(huì)涉及到一些知識(shí)點(diǎn)，面試官也會(huì)從不同方向去提問(wèn)，引出不同知識(shí)點(diǎn)。例如后面幾個(gè)問(wèn)題可以引出Java的內(nèi)存模型，這些都是面試的高頻問(wèn)題。

通過(guò)本文，需要掌握單例模式的兩種寫(xiě)法：Java:單例模式我只推薦兩種。還需掌握volatile和synchronized的知識(shí)點(diǎn)。

由于個(gè)人能力有限，有錯(cuò)誤歡迎指正；或者覺(jué)得方向不好，歡迎指導(dǎo)，非常感謝。

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