单例模式

介绍

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。单例模式在需要频繁创建和销毁对象、或对象创建成本较高的场景中非常有用。

原理

单例模式的核心原理包括：

1. 私有构造函数：防止外部直接实例化类
2. 静态实例变量：存储唯一实例
3. 静态工厂方法：提供全局访问点
4. 线程安全保证：确保在多线程环境下仍然只有一个实例

图示

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|   Singleton    |
+----------------+
| - instance     |
+----------------+
| - Singleton()  |
| + getInstance()|
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代码示例

饿汉式（线程安全）

public class Singleton {
    // 静态实例，直接初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    // 私有构造函数
    private Singleton() {
        // 防止反射创建实例
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("请使用getInstance()方法获取实例");
        }
    }
    
    // 静态工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

懒汉式（双重检查锁定）

public class Singleton {
    // 使用volatile保证多线程环境下的可见性
    private static volatile Singleton instance;
    
    // 私有构造函数
    private Singleton() {
        // 防止反射创建实例
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("请使用getInstance()方法获取实例");
        }
    }
    
    // 静态工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次检查
        if (instance == null) {
            // 同步锁
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次检查
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

静态内部类方式

public class Singleton {
    // 私有构造函数
    private Singleton() {
        // 防止反射创建实例
        if (SingletonHolder.instance != null) {
            throw new RuntimeException("请使用getInstance()方法获取实例");
        }
    }
    
    // 静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    // 静态工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

枚举方式

enum Singleton {
    INSTANCE;
    
    public void doSomething() {
        // 单例方法
    }
}

解决方案

应用场景

1. 资源管理器：如数据库连接池、线程池
2. 配置管理器：读取和管理配置文件
3. 日志记录器：全局日志记录
4. 缓存管理器：应用级缓存

最佳实践

1. 根据需求选择实现方式：
   • 单线程环境：饿汉式或懒汉式
   • 多线程环境：双重检查锁定、静态内部类或枚举方式
2. 防止反射攻击：在构造函数中检查实例是否已存在
3. 防止序列化和反序列化破坏单例：实现readResolve()方法
4. 考虑使用依赖注入：在大型应用中，依赖注入框架可以更好地管理单例

优缺点

优点：

• 确保只有一个实例，减少内存占用
• 避免重复创建对象，提高性能
• 提供全局访问点，方便使用

缺点：

• 违反单一职责原则
• 可能导致代码耦合度增加
• 不利于单元测试

工具推荐

1. Lombok：提供@Singleton注解简化单例模式实现
2. Spring Framework：通过IoC容器管理单例Bean
3. Google Guice：依赖注入框架，支持单例作用域