单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。
注意：
- 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。
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文章目录
- [1 概要](#1 概要)
- [2 实现](#2 实现)
- [3 Demo代码](#3 Demo代码)
-
- [3.1 懒汉式，线程不安全](#3.1 懒汉式，线程不安全)
- [3.2 懒汉式，线程安全](#3.2 懒汉式，线程安全)
- [3.3 饿汉式](#3.3 饿汉式)
- [3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）](#3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）)
- [3.5 登记式/静态内部类](#3.5 登记式/静态内部类)
- [3.6 枚举](#3.6 枚举)
- [4 开发案例](#4 开发案例)
1 概要
意图
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。
主要解决
频繁创建和销毁全局使用的类实例的问题。
何时使用
当需要控制实例数目，节省系统资源时。
如何解决
检查系统是否已经存在该单例，如果存在则返回该实例；如果不存在则创建一个新实例。
关键代码
构造函数是私有的。
应用实例
- 一个班级只有一个班主任。
- Windows 在多进程多线程环境下操作文件时，避免多个进程或线程同时操作一个文件，需要通过唯一实例进行处理。
- 设备管理器设计为单例模式，例如电脑有两台打印机，避免同时打印同一个文件。
优点
- 内存中只有一个实例，减少内存开销，尤其是频繁创建和销毁实例时（如管理学院首页页面缓存）。
- 避免资源的多重占用（如写文件操作）。
缺点
- 没有接口，不能继承。
- 与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心实例化方式。
使用场景 - 生成唯一序列号。
- WEB 中的计数器，避免每次刷新都在数据库中增加计数，先缓存起来。
- 创建消耗资源过多的对象，如 I/O 与数据库连接等。
注意事项
- 线程安全： getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成实例被多次创建。
- 延迟初始化： 实例在第一次调用 getInstance() 方法时创建。
- 序列化和反序列化： 重写 readResolve 方法以确保反序列化时不会创建新的实例。
- 反射攻击： 在构造函数中添加防护代码，防止通过反射创建新实例。
- 类加载器问题： 注意复杂类加载环境可能导致的多个实例问题。
结构
单例模式包含以下几个主要角色：
- 单例类： 包含单例实例的类，通常将构造函数声明为私有。
- 静态成员变量： 用于存储单例实例的静态成员变量。
- 获取实例方法： 静态方法，用于获取单例实例。
- 私有构造函数： 防止外部直接实例化单例类。
- 线程安全处理： 确保在多线程环境下单例实例的创建是安全的。
2 实现
我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。
SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。
创建一个 Singleton 类。
java
public class SingleObject {
//创建 SingleObject 的一个对象
private static SingleObject instance = new SingleObject();
//让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
private SingleObject(){}
//获取唯一可用的对象
public static SingleObject getInstance(){
return instance;
}
public void showMessage(){
System.out.println("Hello World!");
}
}从 singleton 类获取唯一的对象。
java
public class SingletonPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
//不合法的构造函数
//编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
//SingleObject object = new SingleObject();
//获取唯一可用的对象
SingleObject object = SingleObject.getInstance();
//显示消息
object.showMessage();
}
}3 Demo代码
3.1 懒汉式，线程不安全
java
/*
1、懒汉式，线程不安全
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：否
实现难度：易
描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。
*/
public class Singleton_1 {
private static Singleton_1 instance;
private Singleton_1() {
}
public static Singleton_1 getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton_1();
}
return instance;
}
}接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。
3.2 懒汉式，线程安全
java
/*
2、懒汉式，线程安全
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
*/
public class Singleton_2 {
private static Singleton_2 instance;
private Singleton_2() {
}
public static synchronized Singleton_2 getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton_2();
}
return instance;
}
}3.3 饿汉式
java
/*
3、饿汉式
是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。
*/
public class Singleton_3 {
private static Singleton_3 instance = new Singleton_3();
private Singleton_3() {
}
public static Singleton_3 getInstance() {
return instance;
}
}3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
java
/*
4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：较复杂
描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。
*/
public class Singleton_4 {
private volatile static Singleton_4 singleton;
private Singleton_4() {
}
public static Singleton_4 getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton_4.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton_4();
}
}
}
return singleton;
}
}3.5 登记式/静态内部类
java
/*
5、登记式/静态内部类
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：一般
描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。
*/
public class Singleton_5 {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton_5 INSTANCE = new Singleton_5();
}
private Singleton_5() {
}
public static final Singleton_5 getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}3.6 枚举
java
/*
6、枚举
JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。
*/
public enum Singleton_6 {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
System.out.println("whateverMethod");
}
}4 开发案例
算法执行服务创建hdfs连接，使用的单例模式，初始化一下
java
public class HdfsConnection {
private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(HdfsConnection.class);
private static HdfsConnection instance;
/**
* Gets instance.
*
* @return the instance
*/
public static synchronized HdfsConnection getInstance(String installScenarios) {
if (instance != null) {
return instance;
}
return instance = new HdfsConnection(installScenarios);
}
private FileSystem fs;
private HdfsConnection(String installScenarios) {
LOGGER.info("Init HDFS Connection start!");
// 读取配置
HdfsConfig hdfsConfig = ReadHdfsConfig.getHdfsConfig(installScenarios);
LOGGER.info("hdfsConfig: {} ", JSON.toJSONString(hdfsConfig));
if (Objects.isNull(hdfsConfig)) {
LOGGER.error("HdfsConfig is null");
throw new CommonServiceException(AIModelError.HDFS_EXCEPTION);
}
// 设置配置
Configuration conf = new Configuration();
LOGGER.info("conf: {} ", JSON.toJSONString(conf));
UserGroupInformation.setConfiguration(conf);
// 初始化文件系统连接
try {
UserGroupInformation.loginUserFromKeytab(hdfsConfig.getOssuser(), hdfsConfig.getOssuserKeytab());
fs = FileSystem.get(conf);
} catch (Exception exp) {
LOGGER.error("Init HDFS Connection failure!");
throw new CommonServiceException(AIModelError.HDFS_EXCEPTION, exp);
}
LOGGER.info("Init HDFS Connection Success!");
}
/**
* Gets hadoop fs.
*
* @return the hadoop fs
*/
public FileSystem getHadoopFs() {
return fs;
}
}使用
java
public boolean upload(String localFile, String hdfsPath) {
try {
mkParentDir(hdfsPath);
FileSystem fs = HdfsConnection.getInstance(installScenarios).getHadoopFs();
fs.copyFromLocalFile(new Path(localFile), new Path(hdfsPath));
LOGGER.info("upload file success!");
return true;
} catch (Exception exp) {
LOGGER.error("upload file failure!");
throw new CommonServiceException(AIModelError.HDFS_EXCEPTION, exp);
}
}