不使用synchronized和lock，如何实现一个线程安全的单例

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？

C类应聘者：可以使用饿汉模式实现单例。如：

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：

public class Singleton {
    private 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。

面试官：除了这种以外，还有其他方式吗？

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：

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。

面试官：除了这种以外，还有其他方式吗？

A类应聘者：

除了以上方式，还可以使用枚举的方式，如：

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。

面试官：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。
面试官：除了这种以外，还有其他方式吗？
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：

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。