Java 设计模式：单例模式详解

Java 设计模式：单例模式详解

单例模式（Singleton Pattern）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。单例模式在资源管理、配置共享等场景中非常常见。本文将介绍单例模式的定义、几种实现方式及其在 Java 中的应用。

1. 什么是单例模式？

单例模式的核心目标是：限制一个类只能创建唯一实例，并在整个应用程序中共享该实例。它通常用于需要全局控制访问的场景，例如日志记录器、数据库连接池等。

模式结构

• 私有构造方法：防止外部直接实例化。
• 静态实例：保存类的唯一实例。
• 静态方法：提供全局访问点。

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2. 单例模式的实现方式

以下是单例模式的几种常见实现方式，每种方式都有其适用场景。

2.1 饿汉式（Eager Initialization）

在类加载时就创建实例，线程安全但可能浪费资源。

public class Singleton {
    // 静态实例，在类加载时初始化
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    // 提供全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    public void showMessage() {
        System.out.println("Hello from Singleton!");
    }
}

特点：

• 优点：实现简单，天生线程安全。
• 缺点：无论是否使用，类加载时就创建实例，可能造成资源浪费。

2.2 懒汉式（Lazy Initialization）

按需创建实例，但基础版本线程不安全。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

特点：

• 优点：延迟加载，节省资源。
• 缺点：多线程环境下不安全，可能创建多个实例。

2.3 线程安全的懒汉式（Synchronized）

通过同步锁解决线程安全问题。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

特点：

• 优点：线程安全，延迟加载。
• 缺点：每次调用 getInstance 都加锁，性能较低。

2.4 双重检查锁（Double-Checked Locking）

优化线程安全懒汉式，仅在必要时加锁。

public class Singleton {
    // 使用 volatile 防止指令重排序
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

特点：

• 优点：线程安全，延迟加载，性能较高。
• 缺点：代码稍复杂，需理解 volatile 的作用。

2.5 静态内部类（Static Inner Class）

利用 Java 类加载机制实现懒加载和线程安全。

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    // 静态内部类，只有调用时才加载
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

特点：

• 优点：线程安全，延迟加载，实现优雅。
• 缺点：无法防止反射或序列化破坏单例。

2.6 枚举单例（Enum Singleton）

使用枚举实现，最简洁且天然防反射和序列化破坏。

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void showMessage() {
        System.out.println("Hello from Enum Singleton!");
    }
}

使用方式：

Singleton.INSTANCE.showMessage();

特点：

• 优点：简洁，线程安全，防止反射和序列化问题。
• 缺点：无法继承，不支持懒加载（枚举类加载时即初始化）。

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3. 客户端使用示例

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 双重检查锁方式
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // true，同一个实例

        // 枚举方式
        Singleton.INSTANCE.showMessage();
    }
}

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4. 单例模式的优缺点

优点

1. 唯一实例：保证全局只有一个对象，节省资源。
2. 全局访问：提供统一的访问入口，便于管理。
3. 延迟加载：部分实现（如懒汉式）支持按需创建。

缺点

1. 扩展性差：无法继承，难以动态扩展。
2. 线程安全复杂：懒加载实现需额外处理并发问题。
3. 测试困难：全局状态可能影响单元测试。

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5. 防止单例破坏

单例模式可能被反射、序列化或克隆破坏，以下是应对措施：

• 防止反射：在构造方法中抛出异常。

  private Singleton() {
      if (instance != null) {
          throw new RuntimeException("单例模式不允许反射创建实例");
      }
  }
  

• 防止序列化破坏：实现 readResolve 方法。

  private Object readResolve() {
      return instance;
  }
  

• 枚举方式：天然免疫反射和序列化问题。

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6. 实际应用场景

• 日志管理：如 SLF4J 的 LoggerFactory，全局共享日志实例。
• 配置管理：应用程序配置类，确保唯一性。
• 线程池/连接池：如 ExecutorService 或数据库连接池，控制资源访问。

示例：Java 中的 Runtime 类

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

Runtime 是 JDK 中的单例实现，通过 getRuntime() 获取全局实例。

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7. 总结

单例模式是 Java 中最简单的设计模式之一，但实现方式各有千秋。饿汉式适合简单场景，双重检查锁和静态内部类兼顾性能与延迟加载，枚举方式则提供最强的安全性。选择合适的实现方式需要根据线程安全、资源使用和项目需求权衡。

希望这篇博文能帮助你掌握单例模式的精髓！如果有其他设计模式相关问题，欢迎留言交流。