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。以下是一个实际使用懒汉式单例的例子，并结合适用场景进行解析。

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，从而节省系统资源。

懒汉式单例完整代码

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

代码解析

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，实例化操作延后到第一次调用 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 关键字保证线程安全。
- 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()：
- 提供具体的业务功能，例如记录日志。

使用示例

假设我们需要记录一些重要的操作日志，可以通过以下代码来使用 LogManager：

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

输出结果

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

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。

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，节省内存和系统资源。
线程安全性：
- 使用 synchronized 保证线程安全。

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够高效。

改进方案：双重检查锁定（Double-Checked Locking）

为了解决同步带来的性能问题，可以使用双重检查锁定优化懒汉式单例：

java">public class LogManager {// 1. 静态变量，使用 volatile 修饰以保证可见性private static volatile LogManager instance = null;// 2. 私有构造方法private LogManager() {System.out.println("LogManager initialized!");}// 3. 提供静态方法，使用双重检查锁定public static LogManager getInstance() {if (instance == null) { // 第一次检查synchronized (LogManager.class) {if (instance == null) { // 第二次检查instance = new LogManager();}}}return instance;}// 示例功能public void log(String message) {System.out.println("Log: " + message);}
}

优势

第一次检查和第二次检查减少了不必要的同步，提高了性能。
使用 volatile 关键字保证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 — 双重检查锁定

这段代码是一个双重检查锁定（Double-Checked Locking）实现的懒汉式单例模式的核心部分，它旨在解决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解析：

第一次检查 (if (instance == null))：
- 目的：快速判断实例是否已经创建。
- 优点：如果实例已经存在，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：保证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，确保同一时刻只有一个线程可以初始化实例。
第二次检查 (if (instance == null))：
- 目的：在同步块内再次检查实例是否为 null。
- 原因：在第一次检查之后进入同步块之前，可能有其他线程已经创建了实例，因此需要再次检查以防止重复创建。
实例化 (instance = new LogManager())：
- 当且仅当 instance 确实为 null 且当前线程获得了同步锁时，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）还是同步路径（加锁），最终都会返回唯一的实例。

Why Double-Checked Locking?

性能优化：
- 通过双重检查，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。一般情况下（即实例已经创建后），只需要执行第一次检查即可返回实例，无需同步。
线程安全：
- 同步块保证了只有一个线程可以执行实例初始化。即使多个线程同时发现 instance 为 null，由于同步的存在，最终只有一个线程能够创建实例。

扩展2 — 使用 `volatile`

为了完全保证双重检查锁定的正确性，instance 应该使用 volatile 关键字声明：

java">private static volatile LogManager instance = null;

作用：
- 防止指令重排序¹：确保 new LogManager() 操作的顺序正确，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。

双重检查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，它的正确实现依赖于 volatile 关键字来防止重排序问题。通过这种方式，我们可以在保证线程安全的同时，尽量减少同步带来的性能损耗。

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检查锁定版，以确保唯一实例的正确性和性能的平衡。

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作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重要，因为它保证了对象在初始化完成后才会被其他线程看到。 ↩︎