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设计模式实战篇（一）：彻底搞懂 Singleton 单例模式

news 2025/11/13 5:51:36

💬 关键词：创建型设计模式、线程安全、JVM 类加载机制、反射防护、Spring 单例

一、什么是单例模式？

单例模式（Singleton Pattern） 是一种最经典的“创建型”设计模式，确保在整个系统生命周期中，某个类只有一个实例，并为全局提供访问点。

💡 举例：

一个系统只有一个配置管理器。
日志模块全局共享一个 Logger。
线程池、数据库连接池等都是单例。

二、核心设计原则

原则	含义
构造器私有化	防止外部随意实例化
静态变量持有实例	确保全局唯一
静态方法提供访问点	控制访问
线程安全控制	多线程下仍然唯一

三、UML 类图

┌────────────────────────┐
│       Singleton        │
├────────────────────────┤
│ - instance : Singleton │
├────────────────────────┤
│ + getInstance()        │
└────────────────────────┘

四、单例的五种实现方式对比

实现方式	是否懒加载	是否线程安全	性能	是否推荐	备注
饿汉式	❌	✅	👍	⚠️ 否	占用资源
懒汉式	✅	❌	👎	❌ 否	非线程安全
双重检查锁（DCL）	✅	✅	👍👍	✅	推荐使用
静态内部类	✅	✅	👍👍👍	🌟 推荐	简洁优雅
枚举单例	❌	✅	👍👍👍	🌟🌟 强烈推荐	最安全方案

五、代码示例

1️⃣ 饿汉式

public class SingletonEager {private static final SingletonEager INSTANCE = new SingletonEager();private SingletonEager() {}public static SingletonEager getInstance() {return INSTANCE;}
}

特点：

类加载时就创建实例。
天然线程安全，但浪费内存。

2️⃣ 懒汉式（Lazy Initialization）- 非线程安全

public class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance;private SingletonLazy() {}public static SingletonLazy getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingletonLazy();}return instance;}
}

问题：
多个线程同时进入 if (instance == null)，可能创建多个实例。

3️⃣ 双重检查锁（DCL）

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

为什么需要 volatile？

对象实例化可能被编译器重排序：

1️⃣ 分配内存
2️⃣ 调用构造函数
3️⃣ 引用指向内存地址

若 2️⃣ 与 3️⃣ 调换顺序 → 其他线程可能拿到一个“未完全初始化”的对象。
volatile 关键字禁止这种指令重排。

原理解析：

volatile 保证禁止指令重排。
双层检查保证性能与安全。

4️⃣ 静态内部类（推荐实现）

public class SingletonInner {private SingletonInner() {}private static class Holder {private static final SingletonInner INSTANCE = new SingletonInner();}public static SingletonInner getInstance() {return Holder.INSTANCE;}
}

JVM 原理：

Holder 类不会在外部类加载时立即加载。
当调用 getInstance() 时才加载 Holder。
JVM 保证类加载过程的线程安全性。

5️⃣ 枚举单例（最优雅实现）

public enum SingletonEnum {INSTANCE;public void doSomething() {System.out.println("Enum Singleton working!");}
}

🧠 原理：

枚举类由 JVM 保证只加载一次。
天然防止反射与反序列化攻击。

六、线程安全分析

实现	是否线程安全	说明
饿汉式	✅	类加载时完成实例化
懒汉式	❌	多线程会创建多个实例
DCL	✅	结合 `volatile` 可安全高效
静态内部类	✅	类加载机制保证安全
枚举	✅	JVM 保证枚举类实例唯一性

七、反射与序列化

1️⃣ 反射破坏单例

即使构造函数私有，也可通过反射调用创建多个实例。
解决办法：在构造函数中检测是否已有实例。

if (instance != null) {throw new RuntimeException("禁止通过反射创建对象！");
}

2️⃣ 序列化破坏单例

反序列化会生成新对象。
解决办法：添加 readResolve() 方法。

protected Object readResolve() {return getInstance();
}

八、应用场景

场景	示例
系统配置类	`ConfigManager`
日志管理	`Logger`
线程池	`ThreadPoolExecutor`
缓存	`RedisManager`
数据库连接池	`DataSource`

日志管理器（Logger）

public class LoggerManager {private LoggerManager() {}private static class Holder {private static final LoggerManager INSTANCE = new LoggerManager();}public static LoggerManager getInstance() {return Holder.INSTANCE;}public void log(String msg) {System.out.println("[LOG] " + msg);}
}

使用示例：

public class App {public static void main(String[] args) {LoggerManager logger = LoggerManager.getInstance();logger.log("Application started.");}
}

控制台输出：

[LOG] Application started.

九、优缺点

优点	缺点
全局唯一对象，节省资源	难以扩展，测试困难
统一访问点，便于管理	并发复杂度高
支持延迟加载（部分实现）	潜在隐藏依赖

十、单例在 Spring 框架中的体现

场景	描述
IOC 容器默认作用域	Spring Bean 默认是单例（singleton）
Bean 生命周期管理	容器初始化时加载实例
线程安全性	Spring 通过容器同步机制控制实例唯一性

📘 源码示例（AbstractBeanFactory.java）

/** Cache of singleton objects: bean name to bean instance. */
private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);

十一、总结

实现方式	是否推荐	备注
饿汉式	❌	占用资源
懒汉式	❌	非线程安全
双检锁	✅	高性能、安全
静态内部类	✅	推荐方式
枚举单例	✅	最优雅实现

✅ 最佳实践：推荐使用“静态内部类”或“枚举单例”。

十一、单例模式的演进对比图（示意）

创建时机 ───────────────────────────►
饿汉式 ──┬─────────────► 立即创建
懒汉式 ──┬─────► 延迟创建（不安全）
DCL ─────┬─────► 延迟创建 + 锁优化
内部类 ──┬─────► JVM 加载机制保证线程安全
枚举 ────┬─────► JVM 保证唯一性