23种设计模式--#2单例模式
一、简介
1. 什么是单例模式
单例模式是设计模式中创建型模式的一种，它的核心思想是保证一个类在整个应用程序的生命周期中，只存在一个实例对象，并且这个实例对象能够被系统中的其他组件统一访问。就像现实生活中一个国家只有一个首都，一个公司只有一个 CEO 一样，在软件系统中，某些类的对象也只需要存在一个，以避免重复创建对象造成的资源浪费，或是多个实例同时存在导致的状态不一致等问题。
单例模式看似简单，却是实际开发中应用非常广泛的设计模式之一。它通过对类的实例化过程进行严格控制，确保无论在什么情况下，都只能通过特定的方式获取到该类的唯一实例，从而为系统的稳定性和高效性提供保障。
2. 单例模式的核心特点
单例模式的核心特点可以概括为以下三点：
确保唯一实例：这是单例模式最核心的特性。单例类会通过内部机制阻止外部通过常规的构造方法创建多个实例，保证在整个系统运行过程中，该类始终只有一个实例存在。例如在多线程环境下，无论多少个线程尝试获取该类的实例，最终得到的都是同一个对象，避免了因多实例存在而引发的资源竞争、状态混乱等问题。
自行实例化：单例类不会依赖外部类来创建自身的实例，而是由类自身负责完成实例的创建。这种 “自给自足” 的特性使得单例类的实例化过程更加可控，减少了外部因素对实例创建的干扰。具体来说，单例类会在内部定义一个静态的实例对象，并通过特定的逻辑在合适的时机完成初始化，不需要外部通过new关键字或其他创建对象的方式来生成实例。
向整个系统提供实例：单例类会提供一个全局访问点，让系统中的其他类或模块都能方便地获取到该唯一实例。这个访问点通常是一个静态的方法，例如getInstance()，外部通过调用这个方法就能得到单例对象，无需关心实例的创建细节。这种全局可访问的特性，使得单例对象可以作为系统中的 “全局工具”，承担起全局配置管理、跨模块数据共享等职责。
3.适用场景
单例模式适用于需要确保系统中某个类只有一个实例的场景，例如配置管理器、日志记录器、数据库连接池或线程池等，这些场景中多个实例可能导致资源浪费、数据不一致或性能问题，通过提供一个全局访问点实现实例的复用和统一管理。
二、单例模式的实现方式
单例模式的实现有多种方式
饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建。
懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建。
1、懒汉式，线程不安全
这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程
优点：
- 延迟加载：实例仅在首次调用getInstance()方法时创建，避免了类加载时的资源浪费，适合实例初始化成本较高的场景。
缺点：
- 线程不安全：在多线程环境下，若多个线程同时进入if (instance == null)判断，可能会创建多个实例，破坏单例的唯一性。例如线程 A 和线程 B 同时检测到instance为 null，线程 A 先创建实例，线程 B 未感知到已创建的实例，会再次创建新实例。
public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton (){} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; }
}
2、懒汉式，线程安全
能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低
优点：
- 线程安全：通过synchronized关键字保证了多线程环境下只有一个线程能进入getInstance()方法，避免了多实例问题。
- 延迟加载：保留了懒汉式延迟初始化的特性，仅在首次使用时创建实例。
缺点：
- 性能较差：每次调用getInstance()方法都需要获取同步锁，即使实例已经创建，后续所有调用仍需等待锁释放，在高并发场景下会显著影响性能。
public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton (){} public static synchronized Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; }
}
3、饿汉式
这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：
- 线程安全：由于实例在类加载时就已创建，且 Java 类加载机制保证了线程安全性，因此无需担心多线程环境下的实例唯一性问题。
- 实现简单：代码逻辑清晰，无需复杂的同步或延迟加载逻辑。
缺点：
- 可能造成资源浪费：无论该实例是否被使用，都会在类加载时初始化，若实例占用大量资源（如内存、数据库连接等），且程序运行过程中始终未使用，则会造成不必要的资源消耗。
public class Singleton { private static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton (){} public static Singleton getInstance() { return instance; }
}
4、双检锁/双重校验锁
双重检查锁定（Double-Checked Locking）是对同步方法的优化，通过减少同步范围提升性能，同时保证线程安全。
public class Singleton { private volatile static Singleton singleton; private Singleton (){} public static Singleton getSingleton() { if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; }
}
优点：
- 线程安全：通过双重检查和同步块，确保多线程环境下仅创建一个实例。
- 延迟加载：实例在首次调用时初始化，避免资源浪费。
- 性能较好：仅在实例未初始化时进行同步，实例创建后无需进入同步块，大幅减少了锁竞争。
注意事项：
- 必须使用volatile关键字修饰实例变量：instance = new DoubleCheckedLockingSingleton()可分解为三步（分配内存、初始化对象、将引用指向内存），若不加volatile，可能因指令重排序导致其他线程获取到未初始化的实例。volatile可禁止指令重排序，保证实例初始化完成后才被其他线程可见。
5. 静态内部类
静态内部类实现方式利用了 Java 类加载机制的特性，兼顾了延迟加载和线程安全，且无需显式同步。
public class StaticInnerClassSingleton {// 私有构造方法private StaticInnerClassSingleton() {}// 静态内部类，仅在被调用时才会加载private static class InnerClass {private static final StaticInnerClassSingleton instance = new StaticInnerClassSingleton();}// 公共访问方法，通过内部类获取实例public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {return InnerClass.instance;}
}优点：
- 线程安全：Java 类加载机制保证了静态内部类的加载过程是线程安全的，因此实例初始化过程不会出现多线程竞争。
- 延迟加载：静态内部类InnerClass仅在getInstance()方法被调用时才会加载，实现了实例的延迟初始化。
- 性能好：无需同步机制，避免了锁带来的性能损耗。
原理分析：
- 外部类StaticInnerClassSingleton加载时，内部类InnerClass不会被加载，因此实例不会被初始化。
- 当调用getInstance()时，InnerClass被加载，其静态变量instance被初始化，且类加载过程由 JVM 保证线程安全，因此只会创建一个实例。
6、枚举
枚举是 Java 5 引入的特性，用枚举实现单例是一种简洁且安全的方式，由 JVM 天然保证单例特性。
public enum EnumSingleton {// 枚举实例，全局唯一INSTANCE;// 枚举类可以定义其他方法public void doSomething() {// 业务逻辑}
}优点：
- 线程安全：JVM 保证枚举实例的创建是线程安全的，且在任何情况下都只会有一个实例。
- 防止反射和序列化破坏：枚举的构造方法由 JVM 控制，反射无法通过newInstance()创建实例；序列化时枚举实例不会被重新创建，反序列化后仍为原实例。
- 简洁性：代码量极少，无需手动处理同步、延迟加载等问题，可读性高。
适用场景：
- 适合对安全性要求高的场景，如全局配置、核心工具类等。
- 由于枚举类型本身的特性，不适合需要继承的场景（枚举类默认继承Enum，Java 不支持多继承）。