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前言

在软件开发中，有时我们需要确保某个类在整个应用程序中只有一个实例。例如，数据库连接池、线程池或者全局配置管理器等。单例模式（Singleton Pattern）就是为解决这一需求而设计的。

本文将详细介绍单例模式的概念、实现方式以及应用场景，帮助读者全面理解这一设计模式并能在实际开发中灵活应用。

单例模式简介

单例模式是 Java 中最简单的设计模式之一，属于创建型模式。它的核心思想是：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。

单例模式的三个要点：

1. 单例类只能有一个实例
2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例
3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例

单例模式解决的问题

• 资源共享：当某些资源（如数据库连接、文件、硬件设备等）只能被一个实例使用时
• 控制实例数目：节省系统资源，避免重复创建销毁实例
• 全局访问点：提供一个全局访问点，方便访问实例

单例模式的实现方式

单例模式有多种实现方式，每种方式都有其优缺点，适用于不同的场景。下面我们将介绍六种常见的实现方式。

1. 懒汉式（线程不安全）

这是最基本的实现方式，但不支持多线程环境。

/*** 懒汉式单例模式（线程不安全）* 优点：延迟加载，第一次使用时才创建实例* 缺点：多线程环境下可能创建多个实例*/
public class Singleton {// 私有静态变量，用于存储唯一实例private static Singleton instance;// 私有构造函数，防止外部实例化private Singleton() {}// 公共静态方法，返回唯一实例public static Singleton getInstance() {// 如果实例不存在，则创建新实例if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

优点：

• 延迟初始化，节省资源
• 实现简单

缺点：

• 线程不安全，在多线程环境下可能创建多个实例

2. 懒汉式（线程安全）

通过同步方法确保线程安全。

/*** 懒汉式单例模式（线程安全）* 优点：线程安全，保证只有一个实例* 缺点：每次获取实例都需要同步，效率低*/
public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}// 使用synchronized关键字实现线程安全public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

优点：

• 线程安全，保证只有一个实例
• 延迟初始化

缺点：

• 每次调用 getInstance()都需要同步，即使实例已经创建，效率较低

3. 饿汉式

在类加载时就创建实例，天然线程安全。

/*** 饿汉式单例模式* 优点：线程安全，实现简单* 缺点：类加载时就创建实例，不管是否使用，可能造成资源浪费*/
public class Singleton {// 在类加载时就创建实例private static final Singleton instance = new Singleton();private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

优点：

• 线程安全，实现简单
• 没有加锁，执行效率高

缺点：

• 类加载时就初始化，不能实现延迟加载，可能造成资源浪费

4. 双重检查锁（DCL，Double-Checked Locking）

结合了懒汉式和饿汉式的优点，既能实现延迟加载，又能保证线程安全和效率。

/*** 双重检查锁单例模式* 优点：线程安全，延迟加载，效率较高* 缺点：实现复杂，需要关注Java内存模型*/
public class Singleton {// 使用volatile关键字确保多线程环境下内存可见性private volatile static Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {// 第一次检查，避免不必要的同步if (instance == null) {// 同步锁，确保线程安全synchronized (Singleton.class) {// 第二次检查，避免重复创建实例if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

优点：

• 线程安全
• 延迟加载
• 效率较高，只有第一次创建实例时需要加锁

缺点：

• 实现复杂
• 需要使用 volatile 关键字，保证内存可见性

5. 静态内部类

利用类加载机制确保线程安全，同时实现延迟加载。

/*** 静态内部类单例模式* 优点：线程安全，延迟加载，实现简单* 缺点：不能传递参数*/
public class Singleton {private Singleton() {}// 静态内部类负责创建单例实例private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}// 当第一次调用getInstance()时，才会加载SingletonHolder类// 从而初始化INSTANCEpublic static Singleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

优点：

• 线程安全，利用类加载机制保证单例
• 延迟加载，调用 getInstance()时才加载内部类
• 实现简单

缺点：

• 不容易理解
• 不能传递参数

6. 枚举

最简单的实现方式，自动支持序列化，绝对防止多次实例化。

/*** 枚举单例模式* 优点：线程安全，防止反射和序列化攻击，实现最简单* 缺点：无法实现延迟加载*/
public enum Singleton {INSTANCE;// 添加你需要的方法public void doSomething() {System.out.println("Singleton is doing something");}
}

优点：

• 线程安全
• 防止反射、序列化攻击
• 实现最简单

缺点：

• 无法实现延迟加载
• 在某些场景下使用枚举可能不太自然

实际应用场景

单例模式在实际开发中有很多应用场景，下面列举几个常见的例子：

1. 配置管理

/*** 应用配置管理器（单例）*/
public class ConfigManager {private static final ConfigManager instance = new ConfigManager();private Properties properties;private ConfigManager() {properties = new Properties();try {properties.load(new FileInputStream("config.properties"));} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static ConfigManager getInstance() {return instance;}public String getProperty(String key) {return properties.getProperty(key);}
}

2. 数据库连接池

/*** 简单的数据库连接池（单例）*/
public class DBConnectionPool {private static volatile DBConnectionPool instance;private List<Connection> connectionPool;private DBConnectionPool() {connectionPool = new ArrayList<>();// 初始化连接池for (int i = 0; i < 10; i++) {try {connectionPool.add(createConnection());} catch (SQLException e) {e.printStackTrace();}}}public static DBConnectionPool getInstance() {if (instance == null) {synchronized (DBConnectionPool.class) {if (instance == null) {instance = new DBConnectionPool();}}}return instance;}private Connection createConnection() throws SQLException {// 创建数据库连接的代码return DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "root", "password");}public synchronized Connection getConnection() {if (connectionPool.isEmpty()) {try {return createConnection();} catch (SQLException e) {e.printStackTrace();return null;}}return connectionPool.remove(connectionPool.size() - 1);}public synchronized void releaseConnection(Connection connection) {connectionPool.add(connection);}
}

3. 日志管理器

/*** 日志管理器（单例）*/
public class LogManager {private static class LogManagerHolder {private static final LogManager INSTANCE = new LogManager();}private FileWriter logWriter;private LogManager() {try {logWriter = new FileWriter("application.log", true);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static LogManager getInstance() {return LogManagerHolder.INSTANCE;}public synchronized void log(String message) {try {logWriter.write(new Date() + ": " + message + "\n");logWriter.flush();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}// 关闭日志public void close() {try {if (logWriter != null) {logWriter.close();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

单例模式的注意事项

使用单例模式时，有一些常见问题需要注意：

1. 线程安全问题

确保在多线程环境下只创建一个实例。前面介绍的懒汉式（线程安全）、饿汉式、双重检查锁、静态内部类和枚举方式都能解决这个问题。

2. 序列化问题

当单例类实现了 Serializable 接口时，反序列化可能会创建新的实例。解决方案：

public class Singleton implements Serializable {private static final Singleton instance = new Singleton();private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return instance;}// 防止反序列化创建新的实例protected Object readResolve() {return getInstance();}
}

3. 反射攻击

反射机制可以访问私有构造函数，从而创建多个实例。解决方案：

public class Singleton {private static Singleton instance = new Singleton();// 在构造函数中检查实例是否已存在private Singleton() {if (instance != null) {throw new RuntimeException("单例已存在，不能重复创建");}}public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

枚举实现天然防止反射攻击。

4. 性能考虑

• 如果单例创建开销较大且可能不被使用，考虑使用懒加载方式（懒汉式、双重检查锁或静态内部类）
• 如果单例一定会被使用且创建成本不高，可以使用饿汉式或枚举方式

单例模式变种

1. 有限多例模式

有时我们需要创建有限数量的实例，而不是单个实例。

/*** 连接池实现（有限多例）*/
public class ConnectionPool {private static final int MAX_CONNECTIONS = 10;private static List<Connection> instances = new ArrayList<>();static {for (int i = 0; i < MAX_CONNECTIONS; i++) {instances.add(new Connection());}}private ConnectionPool() {}public static Connection getConnection() {synchronized (instances) {if (instances.isEmpty()) {try {// 等待连接释放instances.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}return instances.remove(0);}}public static void releaseConnection(Connection connection) {synchronized (instances) {instances.add(connection);instances.notify(); // 唤醒等待线程}}// 模拟连接类public static class Connection {private Connection() {}}
}

2. 线程内单例

每个线程有自己的单例实例，不同线程的实例彼此独立。

/*** 线程内单例*/
public class ThreadLocalSingleton {private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> instance =ThreadLocal.withInitial(() -> new ThreadLocalSingleton());private ThreadLocalSingleton() {}public static ThreadLocalSingleton getInstance() {return instance.get();}
}

结语

单例模式是一种简单而强大的设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。在实际应用中，我们需要根据具体需求选择合适的实现方式。

推荐使用方式：

• 一般情况下，建议使用静态内部类方式，它兼顾了线程安全、延迟加载和实现简单的优点
• 如果需要防止反射和序列化攻击，可以使用枚举方式
• 对于资源敏感的应用，可以考虑双重检查锁方式

无论选择哪种实现方式，理解单例模式的本质和各种实现方式的优缺点，对于编写高质量的代码至关重要。

参考资料

• 单例模式