程序員面試題精選

題目：設計一個類，我們只能生成該類的一個實例。

分析：只能生成一個實例的類是實現了Singleton模式的類型。

由於設計模式在面向對象程序設計中起着舉足輕重的作用，在面試過程中很多公司都喜歡問一些與設計模式相關的問題。在常用的模式中，Singleton是唯一一個能夠用短短几十行代碼完整實現的模式。因此，寫一個Singleton的類型是一個很常見的面試題。

事實上，要讓一個類型是能創建一個實例不是一件很難的事情。我們可以把該類型的構造函數設為private，這樣該類型的.用户就不能創建該類型的實例了。然後我們在給類型中創建一個靜態實例。當用户需要該類型的實例時，我們就返回這個實例。基於這個思路，我們可以用C#寫出如下代碼：

// We can only get an instance of the class Singleton1. The instance

// is created when class Singleton1 is referenced at the first time

public sealed class Singleton1

{

private Singleton1()

{

}

private static Singleton1 instance = new Singleton1();

public static Singleton1 Instance

{

get

{

return instance;

}

}

}

由於類Singleton1的實例是一個靜態變量，因此它會在該類型的第一次引用的時候被創建，而不是第一次在調用_Instance的時候被創建。如果我們此時並不需要該實例，那麼我們就過早地初始化該實例，無論在內存空間還是CPU時間上都是一種浪費。

我們可以把上面的代碼稍作改動，就能實現在第一次調用Singleton_getInstance時候才會創建類型的唯一實例：

// We can only get an instance of the class Singleton2.

// The instance is created when we need it explicitly.

public sealed class Singleton2

{

private Singleton2()

{

}

private static Singleton2 instance = null;

public static Singleton2 Instance

{

get

{

if (instance == null)

instance = new Singleton2();

return instance;

}

}

}

我們在單線程環境下只能得到類型Singleton2的一個實例，但在多線程環境下情況就可能不同了。設想如果兩個線程同時運行到語句if (instance == null)，而此時該實例的確沒有創建，那麼兩個線程都會創建一個實例。此時，類型Singleton2就不在滿足模式Singleton的要求了。

為了保證在多線程環境下我們還是隻能得到類型的一個實例，我們應該在判斷實例是否已經創建，以及在實例還沒有創建的時候創建一個實例的語句上加一個同步鎖。我們把Singleton2稍作修改就得到了如下代碼：

// We can only get an instance of the class Singleton3,

// even when there are multiple threads which are trying

// to get an instance concurrently.

public sealed class Singleton3

{

private Singleton3()

{

}

private static readonly object syncObj = new object();

private static Singleton3 instance = null;

public static Singleton3 Instance

{

get

{

lock (syncObj)

{

if (instance == null)

instance = new Singleton3();

}

return instance;

}

}

}

説明一下，由於C/C++沒有為線程同步提供直接的支持。為了讓代碼顯得簡潔，而不是讓大量的代碼在實現同步鎖而偏離了實現Singleton的主題，本文的代碼用C#實現。

我們還是假設有兩個線程同時想創建一個實例。由於在一個時刻只能有一個線程能得到同步鎖。當第一個線程加上鎖時，第二個線程只能在等待。當第一個線程發現實例還沒有創建時，它創建出一個實例。接着第一個線程釋放同步鎖。此時第二個線程可以加上同步鎖，並運行接下來的代碼。由於此時實例已經被第一個線程創建出來了，第二個線程就不會重複創建實例了。於是保證了我們只能得到一個實例。

但是類型Singleton3還不是完美。由於我們每次調用_Instance的時候，都會試圖加上一個同步鎖。由於加鎖是一個非常耗時的操作，在沒有必要的時候我們應該儘量避免這樣的操作。

實際上，我們只是在實例還沒有創建之前需要加鎖操作，以保證只有一個線程創建出實例。而當實例已經創建之後，我們已經不需要再做加鎖操作了。於是，我們可以把上述代碼再作進一步的改進：

// We can only get an instance of the class Singleton4,

// even when there are multiple threads which are trying

// to get an instance concurrently. When the instance has

// been created, we dont need the lock any more.

public sealed class Singleton4

{

private Singleton4()

{

}

private static object syncObj = new object();

private static Singleton4 instance = null;

public static Singleton4 Instance

{

get

{

if (instance == null)

{

lock (syncObj)

{

if (instance == null)

instance = new Singleton4();

}

}

return instance;

}

}

}

我們只需要在最開始調用Singleton4_getInstance(可能來自一個線程，也可能來自多個線程)的時候需要加鎖。當實例已經創建之後，我們就不再需要作加鎖操作，從而在後續調用Singleton4_getInstance時性能得到提升。

關於第一種寫法的更多，請參考 。站在面試的角度，本文的分析已經足夠應付。但如果想展示更多對多線程編程的理解，更深入地瞭解這個問題總是有益的。