Java单例模式中的饿汉模式和懒汉模式

一、单例模式的显著特点

单一实例

在整个应用的运行过程中，无论在何处、以何种方式尝试创建某一个类的实例，最终得到的都将是同一个对象。这就好比在一个公司中，总经理只有一位，无论各个部门通过何种渠道去联系总经理，对接的都是这唯一的一位负责人。这种唯一性避免了因创建多个相同类实例而可能导致的资源浪费、数据不一致等问题。

全局访问

单例模式贴心地提供了一个全局可用的访问点。这意味着在应用程序的任何角落，只要有需求，相关代码都能够轻松地获取到这个单例实例。就如同在一个大型商场中，统一的客服中心作为全局访问点，各个店铺、顾客都能方便地联系到它，获取所需的服务或信息。通过这种全局访问机制，极大地提高了代码的交互性和协作性。

实现单例模式的方式丰富多样，而其中饿汉模式和懒汉模式尤为常见，接下来让我们深入探究这两种模式的奥秘。

二、饿汉模式：急切的实例创建者

饿汉模式，从名字便能直观地感受到它对于获取实例的急切渴望。这种模式在类被加载到内存的那一刻，就迫不及待地创建好了单例实例。由于实例的创建是在类加载阶段完成的，而类加载过程由 JVM 严格管控，天然具备线程安全性，因此不存在线程安全方面的困扰。以下是其简洁明了的代码实现：

class SingletonEager {
    // 在类加载时就创建单例实例
    private static final SingletonEager INSTANCE = new SingletonEager();

    // 私有构造函数，防止外部通过 new 创建实例
    private SingletonEager() {}

    // 提供全局访问点
    public static SingletonEager getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

为了更好地理解饿汉模式在实际场景中的应用，我们以创建一个代表“狗”的单例对象为例：

public class Hungryman {
    //单例模式——饿汉模式
    //首先创建一个对象，直接构建实例

    //必须是static静态吗？？？必须
    private static String name;
    private static int age;
    private static Hungryman hungryman = new Hungryman(name,age);
    //构造方法
    private Hungryman(String name,int age){
        this.name=name;
        this.age=age;
    }
    //获得实例
    public static Hungryman getHungryman(){
        return hungryman;
    }
}

在上述代码中，Hungryman类在加载时就创建了hungryman实例，后续任何地方调用getHungryman方法，获取到的都是同一个hungryman对象。

三、懒汉模式：延迟的实例构建者

与饿汉模式形成鲜明对比的是懒汉模式。正如其名，懒汉模式就像一个慵懒的工匠，只有当真正需要使用实例时，才会着手去创建。这种模式虽然在一定程度上实现了资源的按需使用，提升了资源利用效率，但也引入了潜在的线程安全问题。

1. 不考虑线程安全的初始版本

让我们先来看一下不考虑线程安全问题时，懒汉模式的简单实现：

public class Lazy {
    //单例模式——懒汉模式
    //定义一个对象为空
    private static volatile Lazy lazy=null;
    //构造方法
    private Lazy(){}
    //获得实例
    public static Lazy getLazy(){
        //如果lazy为空，未创建实例，则创建
                if(lazy==null){
                    lazy=new Lazy();
                }
        //已有实例，则返回
        return lazy;
    }
}

在这段代码中，getLazy方法首先检查lazy是否为null，若为null则创建一个新的Lazy实例。然而，在多线程环境下，这种简单的实现方式可能会出现多个线程同时判断lazy为null，进而创建多个实例的情况，这显然违背了单例模式的初衷。

2. 引入同步机制解决线程安全问题

为了解决上述线程安全问题，我们可以通过加锁的方式，确保在同一时刻只有一个线程能够创建实例。具体实现如下：

synchronized (Lazy.class){
                if(lazy==null){
                    lazy=new Lazy();
                }
            }
            //已有实例，则返回
        return lazy;

在这段代码中，使用Lazy.class作为锁对象，当一个线程进入同步块时，其他线程只能等待。这样就保证了在多线程环境下，Lazy类的实例不会被重复创建。

3. 优化性能：避免重复进入同步块

虽然加锁解决了线程安全问题，但每次调用getLazy方法都进入同步块会带来一定的性能开销。为了提高效率，我们可以在进入同步块之前先进行一次检查，若lazy已经不为null，则直接返回实例，无需进入同步块。优化后的代码如下：

if(lazy==null){
            synchronized (Lazy.class){
                if(lazy==null){
                    lazy=new Lazy();
                }
            }
        }
        //已有实例，则返回
        return lazy;

通过这种双重检查的方式，在保证线程安全的前提下，尽可能地减少了同步带来的性能损耗。

4. 使用volatile关键字彻底解决线程安全隐患

尽管通过双重检查加锁的方式在很大程度上解决了线程安全问题，但在某些极端情况下，仍然可能出现问题。这是因为lazy = new Lazy()这一操作在 JVM 中并非原子操作，它实际上包含了三个步骤：

1. 申请内存空间（类比：付钱买房子）
2. 在空间上构造对象（类比：房子装修）
3. 内存空间的首地址，赋值给引用变量（类比：拿到钥匙）

在指令重排序的情况下，这三个步骤的执行顺序可能会发生变化，例如出现1 -> 3 -> 2的顺序。这就可能导致一个线程在lazy引用已经指向内存空间，但对象尚未完成构造时，就返回了该引用，从而引发错误。

为了解决这个问题，我们可以使用volatile关键字修饰lazy变量。volatile关键字能够确保变量的可见性，禁止指令重排序，从而彻底解决线程安全隐患。最终完善的懒汉模式代码如下：

public class Lazy {
    //单例模式——懒汉模式
    //定义一个对象为空
    private static volatile Lazy lazy=null;
    //构造方法
    private Lazy(){

    }
    //获得实例
    public static Lazy getLazy(){
        //如果lazy为空，未创建实例，则创建
        //线程安全问题：加锁
        //提高效率，当已知lazy不为空时，直接返回，不用进入锁中
        //避免内存可见性问题和指令重排序问题，使用volatile定义lazy
        if(lazy==null){
            synchronized (Lazy.class){
                if(lazy==null){
                    lazy=new Lazy();
                }
            }
        }
        //已有实例，则返回
        return lazy;
    }
}

通过对饿汉模式和懒汉模式的深入剖析，我们全面了解了单例模式的实现方式及其在不同场景下的应用。无论是饿汉模式的急切创建，还是懒汉模式的延迟加载，都为我们在软件开发中实现类实例的唯一性提供了有力的工具。在实际项目中，我们应根据具体的需求和场景，灵活选择合适的单例模式实现方式，以构建出更加健壮、高效的软件系统。