【设计模式】单例模式（创建型）⭐⭐⭐

文章目录

1.概念
- [1.1 什么是单例模式](#1.1 什么是单例模式)
- [1.2 优点与缺点](#1.2 优点与缺点)
2.实现方式
- [2.1 懒汉式](#2.1 懒汉式)
- - [2.1.1 懒汉式（线程不安全）](#2.1.1 懒汉式（线程不安全）)
  - [2.1.2 懒汉式（线程安全）](#2.1.2 懒汉式（线程安全）)
- [2.2 饿汉式](#2.2 饿汉式)
- [2.3 双重检查锁定（Double-Checked Locking）](#2.3 双重检查锁定（Double-Checked Locking）)
- [2.4 静态内部类](#2.4 静态内部类)
- [2.5 枚举](#2.5 枚举)
[3 Java 哪些地方用到了单例模式](#3 Java 哪些地方用到了单例模式)
[4 Spring 哪些地方用到了单例模式](#4 Spring 哪些地方用到了单例模式)

1.概念

1.1 什么是单例模式

单例模式属于创建型模式，一个单例类在任何情况下都只存在一个实例，

构造方法必须是私有的、由自己创建一个静态变量存储实例，对外提供一

个静态公有方法获取实例。

1.2 优点与缺点

优点 :是内存中只有一个实例，减少了开销，尤其是频繁创建和销毁实例的情况下，可以避免对资源的多重占用。
缺点 :没有抽象层，难以扩展，与单一职责原则冲突（单例模式由于其全局访问的特性，往往会使得类的使用变得非常广泛，这会导致类的职责膨胀，变得越来越难以维护。）。

2.实现方式

2.1 懒汉式

懒加载（lazy loading）：使用的时候再创建对象。

2.1.1 懒汉式（线程不安全）

在第一次调用获取实例的方法时才创建实例。由于没有同步措施，因此线程不安全。

java 复制代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

2.1.2 懒汉式（线程安全）

在懒汉式的基础上，通过同步代码块或方法来确保线程安全，但会降低性能。

java 复制代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

2.2 饿汉式

类加载时就创建好实例，避免了线程同步问题，但可能会导致资源浪费。

java 复制代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

2.3 双重检查锁定（Double-Checked Locking）

结合懒汉式和线程安全的特点，在获取实例时进行双重检查，以提高性能。

java 复制代码

public class Singleton {
    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;
    }
}

volatile关键字的作用是确保instance变量的可见性和防止指令重排序。

2.4 静态内部类

利用Java的类加载机制来实现懒加载和线程安全。

java 复制代码

public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

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

在这个示例中，SingletonHolder是一个静态内部类，它包含了一个静态的Singleton实例。SingletonHolder类只有在getInstance()方法被调用时才会被加载，这保证了Singleton实例的延迟加载。同时，由于类的加载过程是线程安全的，所以这种方式也保证了单例的线程安全。

2.5 枚举

使用枚举来实现单例模式，这是最简单的实现方式，并且天生线程安全，防止多次实例化。

java 复制代码

public enum Singleton {
    INSTANCE1,
    INSTANCE2;
    
    public void someMethod() {
        // 功能处理
        System.out.println("执行一些功能处理");
    }
}

java 复制代码

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 调用第一个枚举实例的方法
        Singleton.INSTANCE1.someMethod();
        
        // 调用第二个枚举实例的方法
        Singleton.INSTANCE2.someMethod();
    }
}

枚举天生线程安全的原因在于Java枚举的设计和实现：
枚举实例的创建时机 ：枚举的实例是在类加载时创建的，这个过程是由Java虚拟机（JVM）在加载枚举类时自动完成的。JVM确保在任何线程可以访问枚举的实例之前，这些实例已经被创建并初始化完毕。
Java内存模型 （JMM）：Java内存模型确保了所有线程可以看到枚举实例的创建和初始化状态。这意味着在任何线程可以访问枚举的实例之前，这些实例的状态对于所有线程都是可见的。
同步机制 ：在枚举实例的创建过程中，JVM内部会使用同步机制来确保实例的创建是原子性的，也就是说，在创建枚举实例的过程中，不会有其他线程干扰。
不可变性 ：枚举实例一旦被创建，就不能被修改或重新赋值。这意味着多个线程可以安全地访问枚举实例，而不会出现竞态条件或数据不一致的问题。

由于这些原因，枚举天生就是线程安全的，不需要开发者手动处理同步问题。

3 Java 哪些地方用到了单例模式

资源管理器 ：如数据库连接池、缓存管理器等，通常需要全局访问点，并且在整个应用生命周期内只需要一个实例。
配置管理器 ：用于加载和解析配置文件的类，通常设计为单例，以确保配置的全局一致性和访问的便捷性。
日志记录器 ：如Log4j、SLF4J等日志框架，通常提供单例的日志记录器，以便在整个应用中统一记录日志。
服务定位器 （Service Locator）：在某些设计模式中，服务定位器用于查找和存储服务对象，通常实现为单例。
打印机 spooler：在操作系统中，打印机管理器通常是单例的，以确保打印任务的有序处理。
线程池 ：在多线程编程中，线程池通常设计为单例，以避免创建多个线程池的资源浪费。
Web应用中的共享资源 ：如在Servlet中，一个ServletContextListener可以用来创建单例资源，并在整个Web应用中共享。
应用上下文 ：在Spring框架中，ApplicationContext本身就是一个单例，用于管理Spring beans。
工厂类 ：在设计模式中，工厂类通常设计为单例，以确保对象创建的统一性和便捷性。
窗口管理器 ：在图形用户界面（GUI）应用中，窗口管理器通常是单例的，以管理所有窗口和对话框。
驱动程序管理器 ：如JDBC的DriverManager类，它负责管理数据库驱动程序，通常是单例的。
应用级的状态管理：如用户会话管理、应用级别的缓存等，通常需要全局访问点，并且只有一个实例。

4 Spring 哪些地方用到了单例模式

Spring Bean的默认作用域 ：在Spring中，当你定义一个bean时，如果没有指定它的作用域，它默认是单例的。这意味着在整个Spring IoC容器中，这个bean只有一个实例。这是最常见的单例模式使用场景。
Spring的ApplicationContext ：Spring的应用上下文（ApplicationContext）自身就是一个单例。在整个应用生命周期内，通常只有一个ApplicationContext实例，它负责管理所有的Spring beans。
Spring的事件发布机制 ：Spring的事件发布机制使用单例模式来确保事件的多播器（ApplicationEventMulticaster）是单例的。这样可以确保事件在整个应用中被统一管理和分发。
数据源（DataSource） ：在Spring中配置数据源时，通常会将其配置为单例，以确保整个应用共享同一个数据库连接池。
事务管理器（TransactionManager） ：事务管理器通常也是单例的，以确保整个应用中的事务可以被统一管理。
Spring Security的SecurityContextHolder ：Spring Security使用SecurityContextHolder来持有安全上下文信息（Spring Security提供了一套全面的安全服务，包括认证、授权），它是单例的，可以在整个应用中访问。
缓存管理器（CacheManager） ：在使用Spring的缓存抽象时，缓存管理器通常是单例的，以确保缓存策略在整个应用中一致。
任务调度器（TaskScheduler） ：Spring的任务调度器通常也是单例的，以确保定时任务和异步任务的统一调度。
消息服务（MessageService ）：在使用Spring集成或Spring Boot与消息中间件集成时，消息服务通常是单例的，以确保消息处理的一致性。
配置文件处理：Spring的Environment抽象和PropertySources是单例的，它们负责加载和解析配置文件，确保配置在整个应用中是一致的。