设计模式从入门到精通之（三）单例模式

单例模式：只留一份独特的存在

在现代软件设计中，有些对象是必须确保"独一无二"的，比如程序中的配置管理器、线程池、数据库连接等。如果允许这些对象被反复创建，不仅会浪费系统资源，还可能导致程序逻辑出错。今天我们要聊的单例模式，正是用来解决这些问题的。

1. 什么是单例模式？

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并且提供全局访问点来获取该实例。简单来说，单例模式就是全球通用的唯一代言人。

在实际开发中，单例模式常用于：

配置管理：程序中的全局配置只需要一个实例。
资源共享：某些资源（如线程池、日志系统）必须全局共享。
控制实例数量：限制某些类的实例数量，避免资源浪费。

2. 用现实中的故事引出单例模式

想象你在一个学校任教。学校的公告栏是全校师生获取通知的唯一地方，所有的信息都必须通过公告栏发布。假如学校允许多个公告栏存在，那可能会导致混乱，比如不同公告栏上的信息不一致。

因此，学校必须确保公告栏唯一性 ，而且所有人都知道它的位置。这就是单例模式的思想：一个类只能有一个实例，而且这个实例对全局都是可见的。

3. 单例模式的代码实现

下面我们以公告栏为例，来实现单例模式。

3.1 饿汉式单例

饿汉式单例在类加载时就完成实例化，因此线程安全，但如果实例从未被使用，会浪费内存。

java 复制代码

class BulletinBoard {
    // 1. 提前创建唯一实例
    private static final BulletinBoard instance = new BulletinBoard();

    // 2. 私有构造方法，防止外部实例化
    private BulletinBoard() {
        System.out.println("公告栏已初始化");
    }

    // 3. 提供全局访问点
    public static BulletinBoard getInstance() {
        return instance;
    }

    public void postMessage(String message) {
        System.out.println("公告：" + message);
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        BulletinBoard board = BulletinBoard.getInstance();
        board.postMessage("明天学校停电，请提前做好准备。");
    }
}

运行结果：

公告栏已初始化
公告：明天学校停电，请提前做好准备。

3.2 懒汉式单例

懒汉式单例在第一次调用时创建实例，节省资源，但必须考虑线程安全问题。

java 复制代码

class BulletinBoard {
    // 1. 声明静态变量，但不初始化
    private static BulletinBoard instance;

    // 2. 私有构造方法
    private BulletinBoard() {
        System.out.println("公告栏已初始化");
    }

    // 3. 提供线程安全的全局访问点
    public static synchronized BulletinBoard getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new BulletinBoard();
        }
        return instance;
    }

    public void postMessage(String message) {
        System.out.println("公告：" + message);
    }
}

3.3 双重检查锁（推荐）

双重检查锁结合了饿汉式和懒汉式的优点，既保证了线程安全，又提升了性能。

java 复制代码

class BulletinBoard {
    private static volatile BulletinBoard instance;

    private BulletinBoard() {
        System.out.println("公告栏已初始化");
    }

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

    public void postMessage(String message) {
        System.out.println("公告：" + message);
    }
}

4. 单例模式的优缺点

优点：

全局唯一性：确保一个类只有一个实例，节省资源。
全局访问：为程序提供统一的访问点，方便管理。
延迟初始化（懒汉式）：提升性能，减少启动时的资源开销。

缺点：

不易扩展：由于单例模式强制只有一个实例，难以被继承或修改。
多线程问题：懒汉式实现需要小心处理线程安全。
隐藏依赖：过度使用单例可能让代码之间的依赖关系不清晰，增加维护难度。

5. 总结

单例模式看似简单，却是软件设计中的一颗"小而美"的明珠。在需要确保全局唯一性的时候，单例模式是非常高效的解决方案。但它也不是万能的，滥用单例可能导致代码难以测试和维护。

下一篇专栏中，我们将介绍一种和工厂模式密切相关的模式：建造者模式，看看如何一步步优雅地构建复杂对象。

思考问题：

在双重检查锁的实现中，为什么instance需要用volatile关键字修饰？如果省略，会产生什么问题？欢迎在评论区讨论！