懒汉式单例模式

懒汉式单例是一种在需要时才会初始化实例的单例模式实现方式，适用于需要延迟加载的场景。以下是一个现实使用懒汉式单例的例子，并结合适用场景进行分析。

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示例场景：日志管理器

在开发过程中，日志记录是一个常见需求，通常日志记录器在整个应用中只需要一个实例。使用懒汉式单例可以确保日志管理器只在第一次需要时进行初始化，从而节省体系资源。
懒汉式单例完整代码

1. public class LogManager {
2.     // 1. 静态变量，保存唯一实例，但不立即初始化
3.     private static LogManager instance = null;
5.     // 2. 私有构造方法，防止外部实例化
6.     private LogManager() {
7.         System.out.println("LogManager initialized!");
8.     }
10.     // 3. 提供一个静态方法访问唯一实例
11.     public static synchronized LogManager getInstance() {
12.         if (instance == null) {
13.             instance = new LogManager();  // 延迟实例化
14.         }
15.         return instance;
16.     }
18.     // 4. 示例方法，用于记录日志
19.     public void log(String message) {
20.         System.out.println("Log: " + message);
21.     }
22. }

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代码分析

• 静态变量 instance：
  
  
  
  • 静态变量 instance 用于保存 LogManager 类的唯一实例。
    
  • 初始值为 null，实例化操纵延后到第一次调用 getInstance() 时才进行。
    
  
  
• 私有构造方法：
  
  
  
  • 构造方法被声明为 private，防止外部通过 new LogManager() 创建实例。
    
  • 在构造方法中可以放置初始化逻辑，例如配置日志文件路径等。
    
  
  
• 静态方法 getInstance()：
  
  
  
  • 是懒汉式单例的核心，通过 synchronized 关键字包管线程安全。
    
  • 第一次调用时，instance 为 null，会创建一个新的实例；
    后续调用时，直接返回已经创建的实例。
    
  
  
• 功能性方法 log()：
  
  
  
  • 提供详细的业务功能，例如记录日志。
    
  
  

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使用示例

假设我们需要记录一些紧张的操纵日志，可以通过以下代码来使用 LogManager：

1. public class Main {
2.     public static void main(String[] args) {
3.         // 第一次调用时实例化 LogManager
4.         LogManager logger1 = LogManager.getInstance();
5.         logger1.log("This is the first log message.");
7.         // 第二次调用时直接返回已有实例
8.         LogManager logger2 = LogManager.getInstance();
9.         logger2.log("This is the second log message.");
11.         // 比较两个实例
12.         System.out.println("Are logger1 and logger2 the same instance? " + (logger1 == logger2));
13.     }
14. }

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输出结果

1. LogManager initialized!
2. Log: This is the first log message.
3. Log: This is the second log message.
4. Are logger1 and logger2 the same instance? true

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说明：

• 第一次调用 LogManager.getInstance() 时，LogManager 被初始化（输出 "LogManager initialized!"）。
  
• 第二次调用 getInstance() 时，只是返回已有实例，没有再次创建新实例。
  
• 比较两个实例，结果为 true，表明它们是同一个对象。
  

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懒汉式单例的优缺点

优点

• 延迟加载：
  
  
  
  • 实例在第一次使用时才创建，节省内存和体系资源。
    
  
  
• 线程安全性：
  
  
  
  • 使用 synchronized 包管线程安全。
    
  
  

缺点

• 性能问题：
  
  
  
  • 每次调用 getInstance() 都需要进入同步块，会带来一定的性能开销。在性能敏感的场景下可能不敷高效。
    
  
  

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改进方案：双重查抄锁定（Double-Checked Locking）

为了办理同步带来的性能问题，可以使用双重查抄锁定优化懒汉式单例：

1. public class LogManager {
2.     // 1. 静态变量，使用 volatile 修饰以保证可见性
3.     private static volatile LogManager instance = null;
6.     // 2. 私有构造方法
7.     private LogManager() {
8.         System.out.println("LogManager initialized!");
9.     }
11.     // 3. 提供静态方法，使用双重检查锁定
12.     public static LogManager getInstance() {
13.         if (instance == null) { // 第一次检查
14.             synchronized (LogManager.class) {
15.                 if (instance == null) { // 第二次检查
16.                     instance = new LogManager();
17.                 }
18.             }
19.         }
20.         return instance;
21.     }
23.     // 示例功能
24.     public void log(String message) {
25.         System.out.println("Log: " + message);
26.     }
27. }

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优势

• 第一次查抄和第二次查抄减少了不必要的同步，提高了性能。
  
• 使用 volatile 关键字包管多线程环境下的可见性，防止指令重排序导致的错误。
  

扩展1 — 双重查抄锁定

这段代码是一个双重查抄锁定（Double-Checked Locking）实现的懒汉式单例模式的核心部分，它旨在办理多线程环境下单例实例创建的线程安全问题，同时优化性能。下面是对这段代码的详细分析：

• 第一次查抄 (if (instance == null))：
  
  
  
  • 目的：快速判定实例是否已经创建。
    
  • 优点：假如实例已经存在，则可以直接返回实例，避免进入同步块，提高了性能。
    
  
  
• 同步块 (synchronized (LogManager.class))：
  
  
  
  • 目的：包管在多线程环境下只有一个线程能够进入块内创建实例，确保线程安全。
    
  • synchronized用在类对象上，确保同一时候只有一个线程可以初始化实例。
    
  
  
• 第二次查抄 (if (instance == null))：
  
  
  
  • 目的：在同步块内再次查抄实例是否为 null。
    
  • 原因：在第一次查抄之后进入同步块之前，可能有其他线程已经创建了实例，因此需要再次查抄以防止重复创建。
    
  
  
• 实例化 (instance = new LogManager())：
  
  
  
  • 当且仅当 instance 确实为 null 且当前线程得到了同步锁时，才创建实例。
    
  • 确保 LogManager 的实例只被创建一次。
    
  
  
• 返回实例 (return instance)：
  
  
  
  • 无论是通过快速路径（无锁）照旧同步路径（加锁），终极都会返回唯一的实例。
    
  
  

Why Double-Checked Locking?

• 性能优化：
  
  
  
  • 通过双重查抄，减少了进入同步锁的次数。只有在 instance 为 null 时，才会进入同步块。一般环境下（即实例已经创建后），只需要执行第一次查抄即可返回实例，无需同步。
    
  
  
• 线程安全：
  
  
  
  • 同步块包管了只有一个线程可以执行实例初始化。纵然多个线程同时发现 instance 为 null，由于同步的存在，终极只有一个线程能够创建实例。
    
  
  

扩展2 — 使用 volatile

为了完全包管双重查抄锁定的精确性，instance 应该使用 volatile 关键字声明：

1. private static volatile LogManager instance = null;

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• 作用：
  
  
  
  • 防止指令重排序1：确保 new LogManager() 操纵的顺序精确，即先分配内存，再执行构造函数，最后将内存地址赋值给 instance。
    
  • 变量在多个线程之间的可见性：一旦一个线程修改了 instance，其他线程能够立即看到变化。
    
  
  

双重查抄锁定模式是实现懒汉式单例的一种高效方式，适用于性能要求较高的多线程环境。但是，它的精确实现依赖于 volatile 关键字来防止重排序问题。通过这种方式，我们可以在包管线程安全的同时，尽量减少同步带来的性能损耗。

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总结

懒汉式单例适合于需要延迟加载且实例化成本较高的场景（如日志管理器、配置加载器等）。在并发场景下，最好使用线程安全的实现，例如同步方法版或双重查抄锁定版，以确保唯一实例的精确性和性能的平衡。

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• 指令重排序：编译器和处理器在执行程序时可能会对指令进行重排序，以优化性能。volatile 关键字会禁止这种重排序，确保变量的初始化和其他操纵的执行顺序符合程序的预期。
  这对于实现线程安全的懒汉式单例模式非常紧张，因为它包管了对象在初始化完成后才会被其他线程看到。 ↩︎
  

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