单例模式（Singleton Pattern）

定义

单例模式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。

动机

在许多情况下，我们需要一个类有且只有一个实例。例如，系统中一个全局的配置管理器或日志记录器等对象。如果多个实例存在，会导致资源浪费或状态不一致的问题。

实现

通过私有化构造函数、一个静态变量和一个公有的静态方法来实现。

public class Singleton {
    // 持有唯一实例的私有静态变量
    private static Singleton instance;
    
    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}
    
    // 提供全局访问点的公有静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点

控制实例的数量：确保一个类只有一个实例。
节省资源：避免不必要的内存开销。
全局访问：提供一个全局访问点，方便获取实例。

缺点

违反单一职责原则：类不仅管理自己的实例化，还负责提供访问实例的接口。
不利于扩展：如果需要变更为多实例，需修改类的代码。
多线程环境下需要同步措施：在多线程环境中，可能会产生多个实例。

线程安全的单例实现

为了确保线程安全，可以在方法上加同步锁或使用双重检查锁定。

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;
    }
}

应用场景

配置管理器：系统配置通常是全局的，并且只需要一个实例来管理配置参数。
日志记录器：在整个应用中统一记录日志信息，确保日志的统一性。
缓存：全局缓存对象，避免多次加载同样的数据。

示例应用场景

假设我们在开发一个简单的日志记录器，系统中需要一个全局的日志记录器来记录日志信息。我们可以使用单例模式来确保日志记录器只有一个实例。

public class Logger {
    private static Logger instance;
    
    private Logger() {}
    
    public static Logger getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Logger();
        }
        return instance;
    }
    
    public void log(String message) {
        System.out.println(message);
    }
}

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

在这个例子中，Logger 类采用单例模式实现，确保在整个应用程序中只有一个日志记录器实例。