面试题：Java设计模式的性能优化与权衡

单例模式在高并发环境下不同实现方式的性能特点及线程安全问题

饿汉式单例
- 实现方式：在类加载时就创建单例实例。
```
public class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
    private EagerSingleton() {}
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
```
- 性能特点：由于在类加载时就创建实例，不存在并发创建的性能开销，调用 getInstance 方法时直接返回实例，速度快。
- 线程安全：线程安全，因为类加载机制保证了实例只会被创建一次。
懒汉式单例（非线程安全）
- 实现方式：在第一次调用 getInstance 方法时才创建实例。
```
public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;
    private LazySingleton() {}
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}
```
- 性能特点：延迟初始化，在实例未创建时，调用 getInstance 方法性能较好。但当多线程并发调用 getInstance 且实例未创建时，可能会创建多个实例。
- 线程安全：非线程安全，多线程环境下可能出现多个实例。
懒汉式单例（线程安全，同步方法）
- 实现方式：通过在 getInstance 方法上加 synchronized 关键字保证线程安全。
```
public class LazySafeSingleton {
    private static LazySafeSingleton instance;
    private LazySafeSingleton() {}
    public static synchronized LazySafeSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySafeSingleton();
        }
        return instance;
    }
}
```
- 性能特点：由于 synchronized 关键字，每次调用 getInstance 方法都会进行同步操作，性能开销较大，尤其是在高并发场景下。
- 线程安全：线程安全，保证了只有一个实例被创建。
双重检查锁定（DCL）单例
- 实现方式：通过两次检查 instance 是否为 null 并使用 synchronized 块来保证线程安全和性能。
```
public class DoubleCheckLockSingleton {
    private volatile static DoubleCheckLockSingleton instance;
    private DoubleCheckLockSingleton() {}
    public static DoubleCheckLockSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (DoubleCheckLockSingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DoubleCheckLockSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
```
- 性能特点：第一次 if (instance == null) 检查避免了不必要的同步操作，只有在实例未创建时才进入同步块，性能相对较好。volatile 关键字保证了实例的可见性和禁止指令重排序。
- 线程安全：线程安全，通过双重检查和 volatile 关键字确保了在多线程环境下只有一个实例被创建。
静态内部类单例
- 实现方式：利用静态内部类的特性实现延迟初始化。
```
public class StaticInnerClassSingleton {
    private StaticInnerClassSingleton() {}
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerClassSingleton instance = new StaticInnerClassSingleton();
    }
    public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}
```
- 性能特点：延迟初始化，在调用 getInstance 方法时才加载静态内部类并创建实例。同时，由于类加载机制保证了线程安全，性能较好。
- 线程安全：线程安全，借助类加载机制保证了实例只会被创建一次。
枚举单例
- 实现方式：使用枚举类型实现单例。
```
public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    // 可以添加其他方法和属性
}
```
- 性能特点：实现简单，线程安全，且在反序列化时也能保证单例。由于枚举类型在类加载时就被初始化，调用 INSTANCE 性能较好。
- 线程安全：线程安全，枚举类型本身保证了实例的唯一性。

如何权衡使用不同的单例实现来满足性能需求

性能要求不高且线程安全要求低：可以使用懒汉式单例（非线程安全），适用于单线程环境或对线程安全要求不严格的场景。
对线程安全要求高但性能要求不极致：懒汉式单例（同步方法）可以满足需求，但在高并发场景下性能较差。
高并发且对性能要求较高：双重检查锁定（DCL）单例、静态内部类单例或枚举单例是较好的选择。DCL 单例通过双重检查和 volatile 关键字在保证线程安全的同时提升性能；静态内部类单例利用类加载机制实现延迟初始化和线程安全；枚举单例实现简单且线程安全，还能防止反序列化破坏单例。

在何种情况下需要对设计模式进行性能优化改造及改造思路

情况：当设计模式在高并发场景下出现性能瓶颈，如频繁的同步操作导致大量线程等待，或者实例创建开销过大影响系统响应速度时，需要进行性能优化改造。
改造思路
- 减少同步范围：例如从方法级同步改为块级同步，像 DCL 单例那样，只在必要时进行同步操作，减少线程等待时间。
- 延迟初始化：采用静态内部类单例或懒汉式单例的优化方式，避免在系统启动时就创建大量不必要的实例，减少资源消耗。
- 缓存复用：对于一些创建开销大的对象，可以在单例中缓存已创建的对象并复用，减少创建次数。
- 使用更高效的数据结构或算法：根据具体业务场景，优化单例内部的数据结构和算法，提高操作效率。

面试题：Java设计模式的性能优化与权衡

知识考点

面试题答案

单例模式在高并发环境下不同实现方式的性能特点及线程安全问题

如何权衡使用不同的单例实现来满足性能需求

在何种情况下需要对设计模式进行性能优化改造及改造思路