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类图+案例+代码详解：软件设计模式----单例模式

news 2025/7/5 7:16:23

6、单例模式

指确保一个类仅有一个唯一的实例，并提供一个全局访问点。

所以把构造方法进行私有化，声明为 private 类型；同时提供一个获得实例的方法 getInstance() ，为public类型，并且是static，用于返回该类的实例。

请添加图片描述
核心思想：全世界只能有一个我 —— 保证类永远只有一个对象

比如：

银行的 ATM 机系统，只能有一个 “总控中心” 管理所有机器
电脑的 “任务管理器”，无论点多少次打开，永远只弹出同一个窗口
单例模式就是让类具备 “全球唯一” 的特性

用生活案例拆解核心逻辑：
为什么需要单例？
避免资源浪费：比如打印机驱动只需要加载一次
保证数据统一：比如全局配置类只能有一个实例存储参数

如何实现 “唯一”？
第一步：把构造方法设为private（不让别人随便 new）
第二步：自己在类里创建唯一的实例
第三步：提供一个公共方法让别人获取这个实例

代码示例

public class President {// 静态单例实例，类加载时初始化，保证唯一private static President instance; private String name;// 私有构造方法，防止外部直接实例化private President(String name) { this.name = name;}// 静态工厂方法，提供获取单例实例的途径public static President getInstance(String name) { // 检查实例是否未创建，且传入的名称不为 nullif (instance == null && name != null) { // 创建单例实例，传入名称参数instance = new President(name); }// 返回单例实例，若未满足创建条件，可能返回 nullreturn instance; }}

多线程下的单例模式

给 “唯一实例” 加把 “线程安全” 的锁

为什么多线程需要特殊的单例？
想象两个用户同时抢最后 1 张演唱会门票，如果单例模式没考虑多线程，可能出现：
1.用户 A 检查到 “剩余票数 = 1”，准备购买
2.用户 B 同时检查到 “剩余票数 = 1”，也准备购买
3.最终两人都买到票，但实际库存只扣了 1 张 —— 这就是线程安全问题

3 种多线程单例实现：从简单到高效

1. 最直接的方案：synchronized 锁整个方法
使用同步机制，将 getInstance() 方法声明为static synchronized类型的。限定了每个执行该方法的线程必须彻底执行完以后，才能允许第二个线程执行该方法，从而确保了所创建对象的唯一性。

public class SynchronizedSingleton {private static SynchronizedSingleton instance;private SynchronizedSingleton() {}// 给获取实例的方法加锁，保证同一时间只有一个线程能进入public static synchronized SynchronizedSingleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new SynchronizedSingleton();}return instance;}
}

缺点：锁范围太大，每次调用getInstance()都要排队，效率低

2. 优化版：双重检查锁定（DCL）

public class DoubleCheckSingleton {private static volatile DoubleCheckSingleton instance;  // 关键：volatile防止指令重排private DoubleCheckSingleton() {}public static DoubleCheckSingleton getInstance() {// 第一次检查：实例存在则直接返回，避免无意义加锁if (instance == null) {synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {  // 锁类对象，范围更小// 第二次检查：可能有多个线程同时通过第一次检查，需再次确认if (instance == null) {instance = new DoubleCheckSingleton();// 这里可能发生"指令重排"，volatile禁止重排}}}return instance;}
}

核心技巧：

双重检查：先判断是否为空，避免每次都加锁
volatile 关键字：防止 JVM 优化时指令重排，避免返回未初始化的实例

为什么 DCL 需要 volatile？一个危险的例子：

假设没有volatile，JVM 可能对instance = new DoubleCheckSingleton();做如下优化：

分配内存空间
先赋值引用（instance 指向未初始化的对象）
执行构造方法初始化对象

如果线程 A 执行到步骤 2 时，线程 B 刚好调用getInstance()：

线程 B 发现instance != null，直接返回未初始化的对象
此时访问instance会导致空指针异常或数据错误

3. 终极方案：静态内部类（推荐）

public class InnerClassSingleton {private InnerClassSingleton() {}// 静态内部类只有在被调用时才会加载，天然线程安全private static class SingletonHolder {private static final InnerClassSingleton INSTANCE = new InnerClassSingleton();}// 调用时才会触发SingletonHolder的加载，实现延迟初始化public static InnerClassSingleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}