惰性初始化

在程式設計中, 惰性初始化（英語：lazy initialization）是一種拖延戰術。在第一次需求出現以前，先延遲創建物件、計算值或其它昂貴程序。這通常是以一個旗號來實現，用旗號來標示是否完成其程式。每次請求對象時，會先測試此旗號。如果已完成，直接傳回，否則當場執行。

對於此想法更一般的論述，可見惰性求值。對指令式語言，這個模式可能潛藏著危險，尤其是使用共享狀態的程式習慣。

"惰性工廠"

以《設計模式》書中的觀點來說^[1]，惰性初始化通常會和工廠方法模式合作，這結合了三種構想：

• 使用一個工廠去得到一個類別的實例（工廠方法模式）。
• 將實例存在一個集合中，所以下次要求一個實例卻有“相同”參數時，可以得到“同一個”實例（可和單例模式來做比較）。
• 在第一次時，使用惰性初始化來實例化物件（惰性初始化模式）。

计算机科学

在理论计算机科学领域中，惰性初始化（也叫做惰性数组）^[2]，是设计数据结构的技术，使其可以工作于不需要被初始化的内存。尤其是假定了要访问n个（编号从 1到n）未初始化内存单元的一个表格T，并希望赋值这个数组的m个单元，比如赋值T[ki] := vi，它针对键值对(k1, v1), ..., (km, vm)，并具有所有的ki都是不同的。惰性初始化技术允许只用O(m)次运算来完成它，而非耗费O(m+n)次运算来首先初始化所有数组单元。这项技术简单的分配一个表格V以任意次序存储键值对(ki, vi)，并为每个i在单元T[ki]中写入键ki存储在V中的位置，保留T的其他单元不初始化。这可以用来处理下列方式的查询：在针对某个k查看单元T[k]的时候，可以在{1, ..., m}范围内检查T[k]；如果不在其中，则T[k]是未初始化的。否则检查V[T[k]]，并验证这个键值对的第一个组件等于k；如果不等于，则T[k]是未初始化的（它只是偶然落入范围{1, ..., m}中）；否则确知了T[k]是初始化的单元之一，而对应的值是这个键值对的第二个组件。

示例

C#

在下面的C#例子中，Fruit 類別本身在這裡不做任合事。_typesDictionary 變數則是一個存 Fruit 實例的 Dictionary 或 Map ，其透過typeName來存取。

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;

public class Fruit
{
    private string _typeName;

    private static Dictionary<string, Fruit> _typesDictionary = new Dictionary<string, Fruit>();

    private Fruit(String typeName)
    {
        this._typeName = typeName;
    }

    public static Fruit GetFruitByTypeName(string type)
    {
        Fruit fruit;

        if (!_typesDictionary.ContainsKey(type))
        {
            // 惰性初始
            fruit = new Fruit(type);

            _typesDictionary.Add(type, fruit);
        }
        else
            fruit = _typesDictionary[type];

        return fruit;
    }

    public static void ShowAll()
    {
        if (_typesDictionary.Count > 0)
        {
            Console.WriteLine("Number of instances made = {0}", _typesDictionary.Count);
            
            foreach (KeyValuePair<string, Fruit> kvp in _typesDictionary)
            {
                Console.WriteLine(kvp.Key);
            }
            
            Console.WriteLine();
        }
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Fruit.GetFruitByTypeName("Banana");
        Fruit.ShowAll();

        Fruit.GetFruitByTypeName("Apple");
        Fruit.ShowAll();

        // returns pre-existing instance from first 
        // time Fruit with "Banana" was created
        Fruit.GetFruitByTypeName("Banana");
        Fruit.ShowAll();

        Console.ReadLine();
    }
}

Java

Java例子：

import java.util.*;
  
public class Fruit
{
    private static final Map<String,Fruit> types = new HashMap<String,Fruit>();
    private final String type;
  
    // using a private constructor to force use of the factory method.
    private Fruit(String type) {
      this.type = type;
    }
    
    /**
     * Lazy Factory method, gets the Fruit instance associated with a
     * certain type. Instantiates new ones as needed.
     * @param type Any string that describes a fruit type, e.g. "apple"
     * @return The Fruit instance associated with that type.
     */
    public static synchronized Fruit getFruit(String type) {
      if(!types.containsKey(type))
        types.put(type, new Fruit(type)); // Lazy initialization
      return types.get(type);
    }
}

C++

C++的例子：

import std;

class Fruit {
private:
    static std::map<std::string, Fruit*> types;
    std::string type_;

    // Note: constructor private forcing one to use static |GetFruit|.
    Fruit(const std::string& type): 
        type_{type} {}
public:
    // Lazy Factory method, gets the |Fruit| instance associated with a certain
    // |type|.  Creates new ones as needed.
    static Fruit* getFruit(const std::string& type) {
        auto [it, inserted] = types.emplace(type, nullptr);
        if (inserted) {
            it->second = new Fruit(type);
        }
        return it->second;
    }

    // For example purposes to see pattern in action.
    static void printCurrentTypes() {
        std::println("Number of instances made = {}", types.size());
        for (const auto& [type, fruit] : types) {
            std::println({}, type);
        }
        std::println();
    }
};

// static
std::map<std::string, Fruit*> Fruit::types;

int main(int argc, char* argv[]) {
    Fruit::getFruit("Banana");
    Fruit::printCurrentTypes();

    Fruit::getFruit("Apple");
    Fruit::printCurrentTypes();

    // Returns pre-existing instance from first time |Fruit| with "Banana" was
    // created.
    Fruit::getFruit("Banana");
    Fruit::printCurrentTypes();
}

// OUTPUT:
//
// Number of instances made = 1
// Banana
//
// Number of instances made = 2
// Apple
// Banana
//
// Number of instances made = 2
// Apple
// Banana
//

Python

Python的例子^[3]：

import functools

class lazyproperty():
    def __init__(self, f):
        self.f = f
        functools.update_wrapper(self, f)
    def __get__(self, obj, objtype=None):
        if obj is None: 
            #Invocation from a class
            return self
        val = self.f(obj)
        obj.__dict__[self.f.__name__] = val
        return val

class Employee():
    def __init__(self, name, employer):
        self.name = name
        self.employer = employer
    @lazyproperty
    def summary_report(self):
        #Spending a lot of time and effort to get a result
        result = "Voluminous document: 100,000 words omitted here."
        return result

其执行：

>>> employee = Employee("Taciturn Man", "Large Institutions")
>>> employee.summary_report
'Voluminous document: 100,000 words omitted here.'

Smalltalk

下面的Smalltalk例子，具有典型的访问子方法，它返回使用惰性初始化的一个变量的值。

height
    ^height ifNil: [height := 2.0].

非惰性的替代者，使用的初始化方法是在对象被创建时运行的，并且使用简单的访问子方法来取回这个值。

initialize
    height := 2.0

height
    ^height

注意惰性初始化也可以用在非面向对象编程语言中。

Ruby

下面的Ruby例子，具有惰性初始化的来自远程服务的身份验证令牌。 @auth_token被缓存的方式也是记忆化的示例。

require 'net/http'
class Blogger
  def auth_token
    @auth_token ||=
      (res = Net::HTTP.post_form(uri, params)) &&
      get_token_from_http_response(res)
  end

  # get_token_from_http_response, uri and params are defined later in the class
end

b = Blogger.new
b.instance_variable_get(:@auth_token) # returns nil
b.auth_token # returns token
b.instance_variable_get(:@auth_token) # returns token

PHP

PHP 7.4的惰性初始化的例子：

<?php
header('Content-Type: text/plain; charset=utf-8');

class Fruit
{
    private string $type;
    private static array $types = array();

    private function __construct(string $type)
    {
        $this->type = $type;
    }

    public static function getFruit(string $type): Fruit
    {
        // Lazy initialization takes place here
        if (!isset(self::$types[$type])) {
            self::$types[$type] = new Fruit($type);
        }

        return self::$types[$type];
    }

    public static function printCurrentTypes(): void
    {
        echo 'Number of instances made: ' . count(self::$types) . "\n";
        foreach (array_keys(self::$types) as $key) {
            echo "$key\n";
        }
        echo "\n";
    }
}

Fruit::getFruit('Apple');
Fruit::printCurrentTypes();

Fruit::getFruit('Banana');
Fruit::printCurrentTypes();

Fruit::getFruit('Apple');
Fruit::printCurrentTypes();

/*
OUTPUT:

Number of instances made: 1
Apple

Number of instances made: 2
Apple
Banana

Number of instances made: 2
Apple
Banana
*/

另見

• 代理模式
• 單例模式
• 惰性載入
• 双重检查锁定模式