?譯者 | 李睿

審校 | 孫淑娟

人們需要了解如何在Java程序中使用懶惰實(shí)例化和急切實(shí)例化。那么，哪種方法更好？這取決于場景。  

當(dāng)實(shí)例化在資源使用方面開銷很大的Java對象時(shí)，用戶不希望每次使用它們時(shí)都必須進(jìn)行實(shí)例化。對于提高性能來說，擁有一個(gè)可以在整個(gè)系統(tǒng)中共享的現(xiàn)成對象實(shí)例要好得多。在這種情況下，懶惰實(shí)例化策略非常有效。

懶惰實(shí)例化也有一些缺點(diǎn)，而在某些系統(tǒng)中，采用急切實(shí)例化方法更好。在急切實(shí)例化中，通常在應(yīng)用程序啟動(dòng)后立即實(shí)例化對象一次。這兩種方法是不同的。而在某些情況下，某種方法最有效。

本文將介紹這兩種實(shí)例化Java對象的方法。首先看到代碼示例，然后用Java代碼挑戰(zhàn)測試所學(xué)到的內(nèi)容。此外，還將討論懶惰實(shí)例化與急切實(shí)例化的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.懶惰實(shí)例化的簡單方法

首先，了解創(chuàng)建單個(gè)實(shí)例并在系統(tǒng)中共享它的簡單方法：

public static HeroesDB heroesDB;           // #A
 private SingletonNaiveApproach() {}        // #B

 public HeroesDB getHeroesDB() {            // #C
   if (heroesDB == null) {                  // #D  
     heroesDB = new HeroesDB();             // #E    
   }
   
   return heroesDB;                         // #F
 }
 static class HeroesDB { }        
}

下面是代碼中發(fā)生的情況：

開始(#A)，聲明一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類HeroesDB。將變量聲明為靜態(tài)的變量，它可以在應(yīng)用程序中共享。

下一步(#B)，創(chuàng)建一個(gè)私有構(gòu)造函數(shù)，以避免從類外部直接實(shí)例化。因此，必須使用getHeroes()方法來獲取一個(gè)實(shí)例。

在下一行(#C)，看到了有效地從HeroesDB返回實(shí)例的方法。

接下來(#D)，檢查heroesDB實(shí)例是否為空。如果是空，將創(chuàng)建一個(gè)新實(shí)例。否則什么也不做。

最后(#F)，返回heroesDB對象實(shí)例。

這種方法適用于小型應(yīng)用程序。然而，在有許多用戶的大型多線程應(yīng)用程序中，很可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。在這種情況下，對象可能會被多次實(shí)例化，即使檢查是否為空。以下進(jìn)一步探討為什么會發(fā)生這種情況的原因。

2.理解競態(tài)條件

競態(tài)條件是指兩個(gè)或多個(gè)線程并發(fā)競爭同一個(gè)變量的情況，這可能會導(dǎo)致意外的結(jié)果。

在大型多線程應(yīng)用程序中，許多進(jìn)程并行并發(fā)地運(yùn)行。在這種類型的應(yīng)用程序中，有可能在另一個(gè)線程實(shí)例化一個(gè)空對象的同時(shí)，一個(gè)線程正在詢問一個(gè)對象是否為空。在這種情況下，有一個(gè)競態(tài)條件，這可能導(dǎo)致重復(fù)的實(shí)例。

可以通過使用synchronized關(guān)鍵字來修復(fù)這個(gè)問題：

public class SingletonSynchronizedApproach {

 public static HeroesDB heroesDB;
 private SingletonSynchronizedApproach() {}

 public synchronized HeroesDB getHeroesDB() {
   if (heroesDB == null) {
     heroesDB = new HeroesDB();
   }

   return heroesDB;
 }

 static class HeroesDB { }

}

這段代碼解決了線程在getHeroesDB（）中存在沖突的問題。然而正在同步整個(gè)方法。這可能會影響性能，因?yàn)槊看沃挥幸粋€(gè)線程能夠訪問整個(gè)方法。

以下看看如何解決這個(gè)問題。

3.優(yōu)化的多線程懶惰實(shí)例化

要同步getHeroesDB（）方法中的策略點(diǎn)，需要在該方法中創(chuàng)建同步塊。以下是一個(gè)例子：

public class ThreadSafeSynchronized {

 public static volatile HeroesDB heroesDB;

 public static HeroesDB getHeroesDB() {
   if(heroesDB == null) {
     synchronized (ThreadSafeSynchronized.class) {
       if(heroesDB == null) {
         heroesDB = new HeroesDB();
       }
     }
   }
   return heroesDB;
 }

 static class HeroesDB { }
}

左右滑動(dòng)查看完整代碼

在這段代碼中，只在實(shí)例為空時(shí)同步對象的創(chuàng)建。否則，將返回對象實(shí)例。

還要注意的是，同步了ThreadSafeSynchronized類，因?yàn)槭褂玫氖庆o態(tài)方法。然后再次檢查，以確保heroesDB實(shí)例仍然為空，因?yàn)榭赡苡辛硪粋€(gè)線程已將其實(shí)例化。如果不進(jìn)行雙重檢查，可能會得到多個(gè)實(shí)例。

另一個(gè)重要的問題是，變量heroesDB是不穩(wěn)定的。這意味著不會緩存變量的值。當(dāng)線程更改這一變量時(shí)，它將始終具有最新更新的值。

4.何時(shí)使用急切實(shí)例化

對于可能從未使用過的開銷大的對象，最好使用懶惰實(shí)例化。然而，如果所處理的對象知道在應(yīng)用程序每次啟動(dòng)時(shí)都將被使用，并且就使用的系統(tǒng)資源來說，如果創(chuàng)建對象開銷很大，那么最好使用急切實(shí)例化。

假設(shè)必須創(chuàng)建一個(gè)開銷非常大的對象，例如人們總是需要的數(shù)據(jù)庫連接。等待該對象被使用可能會降低應(yīng)用程序的運(yùn)行速度。在這種情況下，急切實(shí)例化更有意義。

5.實(shí)現(xiàn)急切實(shí)例化的簡單方法

實(shí)現(xiàn)急切實(shí)例化的簡單方法如下：

public class HeroesDatabaseSimpleEager {

 public static final HeroesDB heroesDB = new HeroesDB();

 static HeroesDB getHeroesDB() {
   return heroesDB;
 }

 static class HeroesDB {
   private HeroesDB() {
     System.out.println("Instantiating heroesDB eagerly...");
   }

   @Override
   public String toString() {
     return "HeroesDB instance";
   }
 }

 public static void main(String[] args) {
   System.out.println(HeroesDatabaseSimpleEager.getHeroesDB());
 }
}
The output from this code would be:

Instantiating heroesDB eagerly...
HeroesDB instance

這段代碼的輸出是：

Instantiating heroesDB eagerly...
HeroesDB instance

注意，在本例中沒有進(jìn)行是為空的檢查。當(dāng)HeroesDB被聲明為HeroesDatabaseSimpleEager中的實(shí)例變量時(shí)，它就被實(shí)例化了。因此，每次訪問HeroesDatabaseSimpleEager類時(shí)，都會從HeroesDB獲得一個(gè)實(shí)例。還重寫了toString()方法，以簡化HeroesDB實(shí)例的輸出。

現(xiàn)在看看使用枚舉實(shí)現(xiàn)急切實(shí)例化的更健壯的方法。

6.使用枚舉創(chuàng)建急切實(shí)例化

使用枚舉是創(chuàng)建急切實(shí)例化對象的一種更健壯的方法。盡管實(shí)例只會在枚舉被訪問時(shí)被創(chuàng)建，但要注意在下面的代碼中，沒有對對象創(chuàng)建進(jìn)行是否為空的檢查：

public enum HeroesDatabaseEnum {

 INSTANCE;
 int value;
 public int getValue() {
   return value;
 }
 public void setValue(int value) {
   this.value = value;
 }
 public static void main(String[] args) {
   System.out.println(HeroesDatabaseEnum.INSTANCE);
 
}

這段代碼的輸出將是:

Creating instance...
INSTANCE

這段代碼是線程安全的。它保證只創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例，并且序列化對象，這意味著可以更容易地傳輸它。另一個(gè)細(xì)節(jié)是，對于枚舉有一個(gè)隱式的私有構(gòu)造函數(shù)，這保證了不會不必要地創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例。枚舉被認(rèn)為是使用急切實(shí)例化的最佳方法之一，因?yàn)樗唵味行А?/p>

7.懶惰實(shí)例化vs.急切實(shí)例化

當(dāng)不總是需要實(shí)例化一個(gè)對象時(shí)，采用懶惰實(shí)例化更好。當(dāng)知道總是需要實(shí)例化對象時(shí)，急切實(shí)例化更好。以下是每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）懶惰實(shí)例化

優(yōu)點(diǎn)：對象只會在需要的時(shí)候被實(shí)例化。

缺點(diǎn)：

• 需要同步才能在多線程環(huán)境中工作。
• 由于if檢查和同步，性能會變慢。
• 當(dāng)需要該對象時(shí)，應(yīng)用程序可能會有明顯的懶惰。

（2）急切實(shí)例化

優(yōu)點(diǎn)：

• 在大多數(shù)情況下，對象將在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)被實(shí)例化。
• 使用對象時(shí)沒有延遲，因?yàn)樗呀?jīng)被實(shí)例化了。
• 它在多線程環(huán)境中工作良好。

缺點(diǎn)：使用這種方法可能會不必要地實(shí)例化對象。

8.Lazy Homer beer創(chuàng)作挑戰(zhàn)

在下面的Java代碼挑戰(zhàn)中，將看到多線程環(huán)境中發(fā)生的懶惰實(shí)例化。

要注意的是，正在使用ThreadPool可以直接使用Thread類，但最好使用Java并發(fā)API。

根據(jù)在本文中學(xué)到的知識，人們會認(rèn)為在運(yùn)行以下代碼時(shí)最可能發(fā)生什么情況?

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class LazyHomerBeerCreationChallenge {

 public static int i = 0;
 public static Beer beer;
 
 static void createBeer() {
   if (beer == null) {
     try {
       Thread.sleep(200);
       beer = new Beer();
       i++;
     } catch (InterruptedException e) {
       e.printStackTrace();
     }
   }
 }

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
   executor.submit(LazyHomerChallenge::createBeer);
   executor.submit(LazyHomerChallenge::createBeer);
   
   executor.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
   executor.shutdown();
   System.out.println(i);
 }

 public static class Beer {}
}

以下是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的選項(xiàng)。仔細(xì)查看代碼并選擇其中一個(gè)：

1.A) 1

2.B) 0

3.C) 2

4.D)拋出InterruptedException

9.發(fā)生了什么?懶惰實(shí)例化解釋

這個(gè)代碼挑戰(zhàn)的關(guān)鍵概念是，當(dāng)兩個(gè)線程訪問同一個(gè)進(jìn)程時(shí)，會出現(xiàn)并行性。因此，既然有一個(gè)線程。在實(shí)例化beer之前休眠，很可能會創(chuàng)建兩個(gè)beer實(shí)例。

線程不并發(fā)運(yùn)行的可能性非常小，這取決于JVM實(shí)現(xiàn)。但是由于線程的原因，很有可能最終得到兩個(gè)Thread.sleep的方法。

現(xiàn)在再次查看代碼，注意正在使用線程池創(chuàng)建兩個(gè)線程，然后對這些線程運(yùn)行createBear方法。

因此，這個(gè)代碼挑戰(zhàn)的正確答案是：C，或2的值。

10.結(jié)論

對于使用開銷大的對象優(yōu)化性能來說，懶惰實(shí)例化和急切實(shí)例化是很重要的概念。以下是關(guān)于這些設(shè)計(jì)策略需要記住的要點(diǎn)：

• 懶惰實(shí)例化需要在實(shí)例化之前進(jìn)行是否為空的檢查。
• 在多線程環(huán)境中同步對象以實(shí)現(xiàn)懶惰實(shí)例化。
• 急切實(shí)例化不需要對對象進(jìn)行是否為空的檢查。
• 使用枚舉是一種有效且簡單的緊急實(shí)例化方法。

原文鏈接：https://www.infoworld.com/article/3675954/lazy-vs-eager-instantiation-in-java-which-is-better.htm