面试题：Java单例模式懒加载与饿汉式加载的资源消耗分析

Question

从内存资源和性能方面详细分析Java单例模式中懒加载与饿汉式加载的资源消耗情况，在不同的应用场景下，应该如何选择使用哪种加载方式？

Answer 1

懒加载（Lazy Loading）

1. 内存资源：
   • 优点：在类加载时，不会立即创建单例实例，只有在第一次调用获取实例的方法时才进行实例化。这意味着如果在整个应用生命周期中，该单例对象从未被使用，那么就不会占用额外的内存空间。
   • 缺点：由于实现懒加载通常需要额外的同步机制（如双重检查锁定）来确保多线程环境下的线程安全，这会引入一些额外的代码和对象，可能会占用少量额外的内存。例如，在双重检查锁定中使用的 volatile 关键字，会增加一定的内存开销用于保证可见性和禁止指令重排。
2. 性能：
   • 优点：首次调用获取实例方法时才创建实例，对于一些资源消耗大且可能不会用到的单例对象，能有效延迟资源分配，提高应用启动速度。
   • 缺点：多线程环境下实现懒加载的同步机制会带来性能开销。例如，双重检查锁定中，第一次检查实例是否为 null 时，若为 null，则需要进入同步块进行实例化。同步块的竞争会导致线程等待，降低并发性能。同时，volatile 关键字带来的可见性和禁止指令重排的保障也会有一定的性能损耗。

饿汉式加载（Eager Loading）

1. 内存资源：
   • 优点：实现简单，没有复杂的同步机制带来的额外内存开销。
   • 缺点：类加载时就创建单例实例，无论该实例是否会被使用，都会占用内存空间。如果单例对象占用内存较大，且应用中很多单例对象采用饿汉式加载，可能会导致应用启动时内存占用过高，甚至引发内存不足问题。
2. 性能：
   • 优点：由于在类加载时就完成实例化，不存在多线程同步问题，获取实例的方法没有同步开销，在多线程环境下性能较好。获取实例时直接返回已创建好的实例，速度快。
   • 缺点：类加载时就创建实例，如果单例对象初始化过程复杂，会导致类加载时间变长，从而影响应用的启动性能。

应用场景选择

1. 懒加载适用场景：
   • 资源敏感场景：当单例对象占用大量资源，且不确定在应用运行过程中是否会使用到该单例对象时，懒加载能有效避免不必要的内存浪费。例如，一些后台管理模块中的数据统计单例服务，只有在用户主动查看统计报表时才需要使用，采用懒加载可在应用启动时不占用该部分内存。
   • 多线程并发度不高场景：如果应用中多线程并发访问获取单例实例的频率较低，懒加载带来的同步开销对性能影响不大，此时可以选择懒加载。
2. 饿汉式加载适用场景：
   • 对启动性能要求不高但对运行时性能要求高的场景：如数据库连接池单例，应用启动时创建连接池实例虽然会使启动时间稍有增加，但在运行过程中频繁获取数据库连接时，由于不存在同步开销，能快速返回连接，提高运行时性能。
   • 多线程并发度高场景：在高并发环境下，饿汉式加载没有同步问题，能保证高效的并发访问，避免了懒加载同步机制带来的性能瓶颈。例如，在高并发的 Web 应用中，一些全局配置信息的单例对象，采用饿汉式加载可确保多个线程快速获取配置信息。