23种设计模式之【单例模式模式】-核心原理与 Java实践

单例模式（Singleton Pattern）

单例模式是 23 种设计模式中的一种创建型模式，其核心思想是确保一个类在整个应用中只有一个实例，并提供一个全局访问点。这种模式常用于管理共享资源（如配置信息、线程池、日志对象等），避免资源竞争或重复创建带来的性能问题。

核心原理

• 私有构造函数：
  阻止外部通过new关键字创建实例，确保只能通过类自身提供的方法获取实例
• 静态私有实例：
  在类内部维护唯一的实例对象，通常为静态变量
• 公共静态访问方法：
  提供全局访问点，确保返回的是同一个实例
  负责实例的创建（延迟初始化或饿汉式初始化）

单例模式的核心是 “唯一性” 与 “全局访问”，通过控制实例创建过程，保证在任何情况下都只有一个实例存在。

Java 实践示例

下面实现几种常见的单例模式变体，各有其适用场景：

package com.example.demo;public class SingletonPattern {public static void main(String[] args) {// 测试枚举单例EnumSingleton.INSTANCE.doSomething();// 测试静态内部类单例StaticInnerClassSingleton instance1 = StaticInnerClassSingleton.getInstance();StaticInnerClassSingleton instance2 = StaticInnerClassSingleton.getInstance();System.out.println("静态内部类单例是否相同：" + (instance1 == instance2));}// 1. 饿汉式单例（线程安全，类加载时初始化）public static class EagerSingleton {// 类加载时就初始化实例private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();// 私有构造函数，防止外部实例化private EagerSingleton() {}// 公共访问方法public static EagerSingleton getInstance() {return INSTANCE;}}// 2. 懒汉式单例（基础版，线程不安全）public static class LazySingleton {private static LazySingleton instance;private LazySingleton() {}// 非线程安全，多线程环境下可能创建多个实例public static LazySingleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new LazySingleton();}return instance;}}// 3. 线程安全的懒汉式（同步方法，性能较低）public static class ThreadSafeLazySingleton {private static ThreadSafeLazySingleton instance;private ThreadSafeLazySingleton() {}// 同步方法保证线程安全，但每次调用都加锁，性能差public static synchronized ThreadSafeLazySingleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new ThreadSafeLazySingleton();}return instance;}}// 4. 双重检查锁定（DCL，线程安全且高性能）public static class DoubleCheckedLockingSingleton {// volatile关键字防止指令重排序private static volatile DoubleCheckedLockingSingleton instance;private DoubleCheckedLockingSingleton() {}// 双重检查：减少同步开销，只在实例未创建时加锁public static DoubleCheckedLockingSingleton getInstance() {if (instance == null) {  // 第一次检查，无锁synchronized (DoubleCheckedLockingSingleton.class) {if (instance == null) {  // 第二次检查，有锁instance = new DoubleCheckedLockingSingleton();}}}return instance;}}// 5. 静态内部类单例（推荐，线程安全且延迟初始化）public static class StaticInnerClassSingleton {// 私有构造函数private StaticInnerClassSingleton() {}// 静态内部类，只有在调用getInstance()时才会加载private static class SingletonHolder {private static final StaticInnerClassSingleton INSTANCE = new StaticInnerClassSingleton();}// 全局访问点public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}}// 6. 枚举单例（最佳实践，防止反射和序列化破坏单例）public enum EnumSingleton {INSTANCE;  // 枚举实例天生单例// 可以添加其他方法public void doSomething() {System.out.println("枚举单例执行操作");}}
}

单例模式的关键问题

• 线程安全：
  多线程环境下需保证实例唯一，最简单的方式是使用枚举或静态内部类
  DCL 模式需配合volatile关键字防止指令重排序导致的问题
• 防止反射破坏：
  私有构造函数可被反射调用（通过setAccessible(true)）
  枚举单例天然防止反射破坏，其他实现需在构造函数中添加防重入逻辑
• 防止序列化破坏：
  实现Serializable接口的单例，反序列化时可能创建新实例
  解决方案：重写readResolve()方法返回原有实例
• 单例与依赖注入：
  单例模式可能与依赖注入框架冲突，需谨慎使用
  可通过容器管理单例（如 Spring 的@Singleton）

单例模式的应用场景

工具类：如日志工具类Logger，全局只需要一个实例
配置管理：应用配置类Config，集中管理配置信息
线程池：ThreadPool全局唯一，避免资源浪费
数据库连接池：ConnectionPool共享连接资源
缓存：应用级缓存实例CacheManager
GUI 组件：如应用程序的主窗口MainFrame

单例模式是最简单的设计模式之一，但实现时需注意线程安全、反射攻击等问题。在实际开发中，枚举单例和静态内部类单例是推荐的实现方式，既能保证线程安全，又具有良好的性能。