Java 基础-30-单例设计模式：懒汉式与饿汉式

在软件开发中，单例设计模式（Singleton Design Pattern）是一种常用的设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。这种模式通常用于管理共享资源（如数据库连接池、线程池等）或需要全局唯一实例的场景。

本文将详细介绍两种常见的单例实现方式：懒汉式和饿汉式，并分析它们的优缺点及适用场景。

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1. 单例模式的核心要素

要实现单例模式，需要满足以下三个条件：

1. 私有化构造方法：防止外部通过new关键字创建对象。
2. 提供静态方法获取唯一实例：通过一个公共的静态方法返回唯一的实例。
3. 保持单一实例：确保类中只有一个实例存在。

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2. 饿汉式（Eager Initialization）

饿汉式是指在类加载时就立即创建实例。这种方式的特点是简单直接，但可能会造成资源浪费（如果实例从未被使用过）。

实现代码

public class SingletonEager {
    // 1. 私有化构造方法
    private SingletonEager() {
        System.out.println("SingletonEager instance created");
    }

    // 2. 在类加载时创建唯一的实例
    private static final SingletonEager instance = new SingletonEager();

    // 3. 提供公共的静态方法获取实例
    public static SingletonEager getInstance() {
        return instance;
    }
}

特点

• 优点：
  • 简单易懂，实现方便。
  • 线程安全（因为实例在类加载时就已经创建，不存在多线程竞争问题）。
• 缺点：
  • 如果实例从未被使用过，会浪费内存资源。
  • 不适合需要延迟加载的场景。

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3. 懒汉式（Lazy Initialization）

懒汉式是指在第一次调用getInstance()方法时才创建实例。这种方式可以避免资源浪费，但需要注意线程安全问题。

实现代码（非线程安全版本）

public class SingletonLazy {
    // 1. 私有化构造方法
    private SingletonLazy() {
        System.out.println("SingletonLazy instance created");
    }

    // 2. 定义静态变量，但不立即初始化
    private static SingletonLazy instance;

    // 3. 提供公共的静态方法获取实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            instance = new SingletonLazy(); // 创建实例
        }
        return instance;
    }
}

特点

• 优点：
  • 延迟加载，节省资源。
• 缺点：
  • 存在线程安全问题（多线程环境下可能创建多个实例）。

线程安全改进版（双重检查锁定）

为了解决线程安全问题，可以使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）机制：

public class SingletonLazySafe {
    // 1. 私有化构造方法
    private SingletonLazySafe() {
        System.out.println("SingletonLazySafe instance created");
    }

    // 2. 使用volatile关键字保证可见性和禁止指令重排
    private static volatile SingletonLazySafe instance;

    // 3. 双重检查锁定
    public static SingletonLazySafe getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (SingletonLazySafe.class) {
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new SingletonLazySafe();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

特点

• 优点：
  • 延迟加载，节省资源。
  • 线程安全。
• 缺点：
  • 实现复杂度较高。

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4. 对比：懒汉式 vs 饿汉式

特性	饿汉式	懒汉式
实例创建时机	类加载时	第一次调用getInstance()时
资源占用	可能浪费资源	延迟加载，节省资源
线程安全性	天然线程安全	需额外处理（如双重检查锁定）
实现复杂度	简单	较复杂
适用场景	实例一定会被使用且对性能要求高	实例可能不会被使用或需延迟加载

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5. 其他实现方式（扩展）

除了懒汉式和饿汉式，还有其他常见的单例实现方式，例如：

枚举单例

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;

    public void doSomething() {
        System.out.println("Doing something...");
    }
}

• 优点：天然线程安全，防止反射攻击，简洁优雅。
• 缺点：功能有限，不适合需要继承的场景。

静态内部类

public class SingletonInnerClass {
    private SingletonInnerClass() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final SingletonInnerClass INSTANCE = new SingletonInnerClass();
    }

    public static SingletonInnerClass getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

• 优点：延迟加载，线程安全，性能较好。
• 缺点：实现稍复杂。

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6. 总结

• 饿汉式适合于实例一定会被使用的场景，简单高效，但可能会浪费资源。
• 懒汉式适合于实例可能不会被使用的场景，可以延迟加载，但需要注意线程安全问题。
• 如果追求简洁和安全性，推荐使用枚举单例或静态内部类实现。