【设计模式】单例模式详解及应用实例

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，保证一个类在整个程序的生命周期中只有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式广泛用于需要全局唯一实例的场景，比如数据库连接池、日志对象、线程池等。

单例模式的特点

1. 唯一性：确保一个类只有一个实例。
2. 延迟实例化：通常使用懒加载机制，即在第一次使用时才创建实例。
3. 全局访问：提供一个全局访问点供外部获取该实例。

单例模式的实现方式

单例模式有多种实现方式，常见的有以下几种：

1. 懒汉式（Lazy Initialization）

懒汉式的单例模式是延迟初始化的，实例在第一次使用时才创建。这种方式的缺点是线程不安全。

public class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance;// 私有化构造函数，防止外部实例化private SingletonLazy() {}// 获取单例对象的静态方法public static SingletonLazy getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingletonLazy();}return instance;}
}

缺点: 懒汉式在多线程环境下可能会创建多个实例，因为线程可能会同时通过 if (instance == null) 条件。

2. 线程安全的懒汉式（Synchronized Method）

为了在多线程环境下保证实例的唯一性，可以使用 synchronized 关键字使方法同步。

public class SingletonLazyThreadSafe {private static SingletonLazyThreadSafe instance;private SingletonLazyThreadSafe() {}// 同步方法保证线程安全public static synchronized SingletonLazyThreadSafe getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingletonLazyThreadSafe();}return instance;}
}

缺点: 虽然线程安全，但由于 synchronized 关键字的使用，每次调用 getInstance 都会产生一定的性能开销。

3. 双重检查锁定（Double-Checked Locking）

双重检查锁定在性能和线程安全之间做了折中。通过在实例初始化前后都进行检查，减少同步的开销。

public class SingletonDCL {// volatile 保证变量的可见性和有序性private static volatile SingletonDCL instance;private SingletonDCL() {}public static SingletonDCL getInstance() {if (instance == null) { // 第一次检查synchronized (SingletonDCL.class) {if (instance == null) { // 第二次检查instance = new SingletonDCL();}}}return instance;}
}

优点: 在多线程环境中高效且线程安全。

4. 静态内部类（Static Inner Class）

利用 Java 的类加载机制实现懒加载，静态内部类方式在类加载时不会立即实例化，而是在调用 getInstance() 时才加载内部类并创建实例。

public class SingletonStaticInnerClass {private SingletonStaticInnerClass() {}// 静态内部类持有 Singleton 的唯一实例private static class SingletonHolder {private static final SingletonStaticInnerClass INSTANCE = new SingletonStaticInnerClass();}public static SingletonStaticInnerClass getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

优点: 线程安全，且没有性能开销，推荐使用。

5. 枚举（Enum Singleton）

使用枚举实现单例是一种比较优雅的方式，因为 Java 枚举本身是线程安全的，并且只能有一个实例。

public enum SingletonEnum {INSTANCE;public void someMethod() {// 业务逻辑}
}

优点: 实现简单，枚举保证了线程安全且防止了反序列化破坏单例。

单例模式使用场景

• 配置类：当一个类只需要一个实例来提供全局配置时，比如读取配置文件的类。
• 数据库连接池：只需要一个连接池对象来管理数据库连接。
• 日志类：应用程序中通常需要一个全局的日志管理类。
• 线程池：应用程序只需要一个线程池来管理线程。

单例模式的使用技巧

1. 防止反射破坏单例: 通过私有化构造器的方式可以阻止外部类直接使用 new 创建实例，但通过反射可以访问私有构造器破坏单例。为了解决这个问题，可以在构造器内加一个判断：

   private Singleton() {if (instance != null) {throw new RuntimeException("单例模式被破坏");}
   }
   

2. 防止序列化破坏单例: 如果单例类实现了 Serializable 接口，在反序列化时可能会创建新的实例。为了解决这个问题，可以在类中实现 readResolve 方法：

   private Object readResolve() {return instance;
   }
   

3. 线程安全优化: 双重检查锁定（DCL）方式在保证线程安全的前提下，提高了性能，是多线程环境下常用的实现方式。

4. 枚举单例推荐: 使用枚举实现单例模式可以简化代码，保证线程安全，并且防止反射和序列化破坏单例，因此被认为是最推荐的方式。

单例模式的实际实例

假设我们需要一个日志管理器，该管理器只允许创建一个实例，并能通过全局访问点进行日志记录。

public class LoggerSingleton {private static LoggerSingleton instance;private LoggerSingleton() {}// 双重检查锁定获取单例实例public static LoggerSingleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (LoggerSingleton.class) {if (instance == null) {instance = new LoggerSingleton();}}}return instance;}public void log(String message) {System.out.println("Log: " + message);}
}public class Main {public static void main(String[] args) {LoggerSingleton logger = LoggerSingleton.getInstance();logger.log("This is a singleton logger.");}
}

总结

• 单例模式提供了确保类实例唯一的有效方案，适用于全局共享资源。
• 常见实现方式包括懒汉式、双重检查锁定和静态内部类等。
• 推荐使用枚举实现单例，因为它天然防止了反射和序列化破坏单例的风险。