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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。

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)。

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();
    }
}

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。

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。

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。


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。

http://www.dtcms.com/a/122176.html

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