设计模式——Singleton(单例)设计模式

摘要

本文介绍了单例设计模式的概念、实现和应用场景。单例模式确保某个类只有一个实例，节省资源并提供全局访问点。文章详细解释了单例模式的实现要素，包括私有构造方法、静态实例和公共静态方法，并探讨了其在数据库连接池、日志记录器和配置管理器等场景中的应用。

1. 单例设计模式是什么

1.1. 单例模式理解

单例设计模式（Singleton Pattern）是一种常见的创建型设计模式，旨在确保某个类在整个应用程序中只有一个实例，并提供一个全局访问点。这个模式的主要目的就是控制类的实例化过程，避免在程序运行期间多个实例的创建。它在需要全局唯一实例时非常有用，例如配置管理器、日志记录器等。

1.2. 单例模式核心概念

单例模式的核心概念就是 唯一性 和 全局访问，通过私有化构造方法、提供全局访问点、延迟实例化、确保线程安全等手段来实现其目标。通过使用单例模式，可以有效地控制类的实例化和资源管理，避免冗余实例的创建。

单例设计模式的核心概念是确保某个类在整个应用程序中只有一个实例，并且提供一个全局访问点来访问该实例。其核心思想可以总结为以下几点：

1. 唯一性：单例模式的主要目的是保证某个类只有一个实例。在程序的整个生命周期中，无论调用多少次获取实例的方法，都只能返回同一个实例。这避免了系统中多个相同对象的存在，确保了资源的统一管理和共享。
2. 全局访问：单例模式提供一个全局访问点，使得该唯一实例可以在系统的任何地方被访问。通常这个访问点是通过一个静态方法实现的，外部通过该方法访问实例，而不需要直接创建实例。
3. 延迟初始化：虽然单例模式保证了唯一性，但通常在实际使用时，实例的创建是延迟的（即懒加载）。实例只有在第一次被访问时才会被创建。这样可以避免在程序启动时就创建实例，节省资源，提升性能。
4. 私有构造方法：为了确保类只能创建一个实例，单例模式通常会将构造方法设为私有的，阻止外部直接调用构造方法创建实例。这样，外部只能通过提供的静态方法来获取实例。
5. 线程安全：在多线程环境下，需要保证实例的创建是线程安全的，防止多个线程同时创建多个实例。因此，单例模式在实现时需要考虑线程同步，以避免并发问题。
6. 避免反射和序列化破坏单例：为了防止反射攻击或者序列化和反序列化破坏单例模式，一些实现方式（如枚举方式）能够防止通过反射创建新的实例。通过这种方式，确保了单例模式的安全性。

1.3. 单例设计模式作用

单例设计模式的作用可以总结为以下三点：

1. 确保唯一性：单例模式保证某个类只有一个实例，避免了多个实例造成的资源浪费和管理混乱。例如，数据库连接池通常使用单例模式来确保在整个应用中只创建一个连接池实例，避免了多次创建和销毁连接池的开销。
2. 提供全局访问点：单例模式通过静态方法提供一个全局访问点，使得系统的各个部分可以共享和访问该唯一实例。例如，日志记录器类通常使用单例模式，确保全局只有一个日志实例，且所有模块都通过该实例记录日志。
3. 节省资源：单例模式通常采用懒加载（延迟实例化）策略，只有在第一次需要时才创建实例，从而节省系统资源。例如，配置管理器类可以使用单例模式来确保只加载一次配置文件，而不是每次读取时都创建新的实例。

2. 单例设计模式类实现

我们通过一个单例类 来确保该类只有一个实例，并且提供一个全局访问点来获取该实例。单例模式的实现通常需要包含以下几个核心要素：

1. 私有构造方法：禁止外部通过构造方法直接创建实例。
2. 静态实例：持有类的唯一实例。
3. 公共静态方法：提供一个公共的访问点来获取唯一实例。

3. 单例模式使用场景

在实际工作中，单例模式有着广泛的应用，尤其是在需要确保全局唯一实例、共享资源或进行全局配置管理的场景。以下是几个常见的单例模式具体使用场景，并说明每个场景的作用：

3.1. 数据库连接池

场景：在开发大型系统时，数据库连接池通常会使用单例模式。一个数据库连接池是一个可以复用数据库连接的对象，在系统中通常只需要一个池来管理所有的数据库连接。通过单例模式，可以确保连接池在应用程序中只有一个实例，避免每次数据库操作都创建新的连接池实例，降低系统开销。

作用：

• 确保唯一性：通过单例模式，数据库连接池在整个应用中只有一个实例，避免了多次创建池的开销。
• 资源共享：确保多个数据库操作共享同一个连接池实例，提高连接的复用率，节省系统资源。
• 性能优化：通过连接池管理，可以减少数据库连接的创建和销毁的成本，提升系统的性能。

3.2. 日志记录器

场景：系统中的日志记录器通常使用单例模式来确保全局只有一个日志实例。日志系统需要将日志记录到文件或数据库等地方，如果每个模块都实例化一个新的日志对象，不仅浪费内存，还可能导致日志信息混乱。

作用：

• 确保唯一性：确保整个系统中只有一个日志记录器实例，避免了多个日志对象的创建。
• 全局共享：所有模块通过该单一日志实例记录日志，确保日志格式和记录方式的一致性。
• 降低内存消耗：避免了不必要的日志对象创建和销毁，提高了系统资源的利用率。

3.3. 配置管理器（RocketMQTemplate等类）

场景：配置文件（如数据库连接配置、系统参数等）在整个应用程序中可能被多个模块使用。配置管理器通常使用单例模式，确保所有模块都访问同一个配置实例，而不是每次都重新加载配置文件。

作用：

• 确保唯一性：只有一个配置管理器实例，避免了重复加载配置文件的资源浪费。
• 全局访问：提供全局访问点，允许各个模块获取配置数据而无需重新读取文件或数据库。
• 提高性能：减少重复读取配置文件的次数，提升系统性能。

3.4. 线程池管理（线程池创建）

场景：线程池用于管理线程的创建、销毁和复用，确保在多线程环境下能够合理使用系统资源。线程池通常实现为单例模式，以确保全局只有一个线程池实例来处理所有任务。

作用：

• 确保唯一性：整个系统共享同一个线程池实例，避免了多个线程池对象造成的资源浪费。
• 线程管理：通过线程池集中管理线程，避免了每次任务执行时都创建新线程的开销。
• 提升性能：通过复用线程，提高了任务执行效率，减少了频繁创建和销毁线程的成本。

3.5. 缓存管理（Redis配置类）

场景：在一些高性能的应用中，经常使用缓存来存储频繁访问的数据。缓存系统（例如 Redis 缓存管理器）通常会实现为单例模式，以确保整个应用中只有一个缓存实例，所有组件都能共享同一个缓存。

作用：

• 确保唯一性：通过单例模式，缓存系统只有一个实例，避免了多个实例占用多余的内存。
• 全局共享：多个模块可以访问同一个缓存实例，提高缓存命中率，减少重复计算。
• 性能优化：缓存数据减少了对数据库或其他资源的访问，提高了系统性能。

3.6. 事件分发系统

场景：在一些事件驱动的系统中，可能会有一个全局的事件分发系统，用来管理和分发各个组件之间的事件通知。此时，可以使用单例模式来确保事件分发系统在整个应用中只有一个实例。

作用：

• 确保唯一性：确保事件分发系统只会有一个实例，避免了事件处理混乱和资源浪费。
• 全局访问：允许所有模块通过单一的事件分发器进行事件的发布和监听，确保事件流的一致性。
• 高效管理：集中管理事件，提高了系统的可维护性和扩展性。

3.7. 应用程序状态管理

场景：在一些需要跟踪全局应用状态的系统中（例如，用户登录状态、权限管理等），可以使用单例模式来管理应用程序的全局状态。

作用：

• 确保唯一性：保证全局状态管理只有一个实例，避免多个状态实例导致的不一致性。
• 简化管理：通过单一实例，简化应用状态的管理和共享，减少了不同模块之间的状态同步问题。
• 提高一致性：通过集中管理应用状态，保证整个系统的状态一致性。

4. 单例设计模式的示例（Spring）

public class MyLogUtil {public static void debug(Logger logger, String message) {debug(logger, message, (Object[])null);}public static void debug(Logger logger, String message, Object... params) {if (logger != null && logger.isDebugEnabled()) {logger.debug(getLogString(message, params));}}public static void info(Logger logger, String message) {info(logger, message, (Object[])null);}

public abstract class CollectBaseHandler<T> implements CollectService<T>, InitializingBean {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(FeatureCollectBaseHandler.class);}

   public void dataSourceCollect(DecisionSessionContext sessionContext, FeatureContext featureContext) {try {LogUtil.info(logger, "”);} catch (HyxfException he){LogUtil.error(logger, "");}}

博文参考

《软件设计模式》