新生代培养计划

Appearance

单例模式 (Singleton Pattern) ​

概述 ​

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个唯一实例。

单例模式在需要严格控制资源访问、避免多个实例导致的问题，或者需要频繁访问某个共享资源时非常有用。

核心要点 ​

  • 单一实例：确保一个类只有一个实例
  • 全局访问：提供一个全局访问点
  • 延迟初始化：通常在第一次使用时才创建实例（懒汉式）
  • 线程安全：在多线程环境中确保实例的唯一性

应用场景 ​

  • 配置管理：整个应用程序共享一份配置
  • 日志记录：全局日志记录器
  • 数据库连接池：管理数据库连接
  • 缓存系统：应用程序级别的缓存
  • 线程池：管理线程资源

实现方式 ​

1. 懒汉式（非线程安全） ​

java
public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}
    
    // 全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这种方式在多线程环境下可能会创建多个实例，因此不是线程安全的。

2. 懒汉式（线程安全） ​

java
public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    // 使用synchronized保证线程安全
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这种方式通过添加synchronized关键字保证了线程安全，但会降低性能，因为每次获取实例都需要同步。

3. 双重检查锁定（Double-Checked Locking） ​

java
public class Singleton {
    // 使用volatile确保多线程环境下的可见性
    private static volatile Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种方式结合了懒加载和线程安全的优点，只有在第一次创建实例时才进行同步，提高了性能。

4. 饿汉式（立即初始化） ​

java
public class Singleton {
    // 在类加载时就创建实例
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

这种方式在类加载时就创建实例，确保了线程安全，但可能会造成资源浪费，因为即使实例不被使用也会被创建。

5. 静态内部类方式 ​

java
public class Singleton {
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
    
    // 静态内部类，包含单例实例
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    // 全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

这种方式利用了Java类加载机制来保证线程安全，同时实现了懒加载。静态内部类只有在被引用时才会被加载，因此实例会在第一次调用getInstance()方法时创建。

6. 枚举方式 ​

java
public enum Singleton {
    INSTANCE;
    
    // 可以在这里添加其他方法
    public void doSomething() {
        // 业务逻辑
    }
}

枚举方式是实现单例模式的最佳方式，它天然线程安全，防止序列化和反射攻击，代码简洁。这也是Joshua Bloch（《Effective Java》作者）推荐的方式。

优缺点 ​

优点 ​

  • 严格控制实例数量：确保一个类只有一个实例
  • 全局访问点：方便访问共享资源
  • 避免资源浪费：懒加载方式可以在需要时才创建实例
  • 提高性能：避免频繁创建和销毁实例

缺点 ​

  • 违反单一职责原则：单例类既负责创建自己的实例，又负责业务逻辑
  • 不利于测试：单例类难以被模拟，可能导致测试困难
  • 可能导致内存泄漏：如果单例实例持有大量资源且长期不释放
  • 多线程环境需要特别处理：需要确保线程安全

注意事项 ​

  1. 线程安全：在多线程环境中需要特别注意线程安全问题
  2. 序列化与反序列化：需要处理好序列化问题，避免创建新的实例
  3. 反射攻击：需要防止通过反射创建新的实例
  4. 不要过度使用：单例模式虽然方便，但也会引入全局状态，可能导致代码耦合度高

总结 ​

单例模式是一种常用的设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在实现单例模式时，需要考虑线程安全、懒加载、序列化等问题。枚举方式是实现单例模式的最佳选择，它天然解决了这些问题，代码也更加简洁。