Java 设计模式 二 单例模式 (Singleton Pattern)

单例模式 (Singleton Pattern) 是一种常见的设计模式，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获取该实例。通常用于那些需要全局控制的场景，比如配置管理、日志系统、数据库连接池等。

1. 单例模式的优点：

• 全局访问点： 提供了一个全局唯一的实例，所有客户端都可以通过这个实例来访问相关功能。
• 控制实例化次数： 确保只有一个实例，可以节省资源，并且避免对象的重复创建。
• 延迟实例化： 只在需要时才创建实例，避免不必要的内存开销。

2. 单例模式的实现方式

1) 懒汉式（Lazy Initialization）

懒汉式是在第一次调用 getInstance() 方法时才创建实例，直到那时才初始化。为了保证线程安全，我们通常使用 synchronized 来同步 getInstance 方法。

优点： 延迟实例化，减少不必要的资源浪费。

缺点： 每次调用 getInstance() 时都要进行同步，性能较差。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

2) 饿汉式（Eager Initialization）

饿汉式是在类加载时就创建实例，这种方式不需要进行同步，因此线程安全性较好。

优点： 实现简单，线程安全。

缺点： 无论是否使用该实例，类加载时就已经创建了对象，这可能会导致资源浪费。

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

    private Singleton() {}

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

3) 双重检查锁定（Double-Checked Locking）

为了提高性能，可以在第一次检查时不加锁，只有在实例为 null 时才加锁。加锁的操作只会发生一次，从而避免每次调用时都进行同步。

优点： 性能较好，仅在第一次创建实例时加锁。

缺点： 代码复杂，且需要使用 volatile 关键字确保多线程情况下的正确性。

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;
    }
}

4) 静态内部类（Bill Pugh Singleton）

这种方式利用了类加载的机制，保证了线程安全，并且实现了懒加载。它是单例模式的推荐实现方式。

优点： 简洁、线程安全、懒加载，性能优秀。

缺点： 没有明显的缺点。

public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

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

5) 枚举式（Enum Singleton）

Java 提供的枚举类型本身就是单例的，它可以保证线程安全、避免反序列化以及类加载机制的优势。

优点： 线程安全、避免反射攻击、保证单例。

缺点： 实现略显复杂，但在现代 Java 开发中，这通常是最推荐的单例实现方式。

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void doSomething() {
        System.out.println("Doing something...");
    }
}

使用时：

Singleton.INSTANCE.doSomething();

3. 何时使用单例模式

• 共享资源：例如数据库连接池、线程池、配置管理等，需要在整个应用中共享一个对象实例。
• 全局控制：需要在系统中保证唯一的控制对象，例如日志系统。
• 频繁创建销毁对象的场景：例如复杂对象的创建、管理较为耗费资源，可以使用单例来避免重复创建。

4. 注意事项

• 线程安全：在多线程环境下，需要确保实例化过程是线程安全的。
• 反射和反序列化攻击：单例类可以通过反射或反序列化破坏其唯一性，枚举单例可以避免这种情况。
• 性能问题：使用懒汉式时，如果没有做适当优化，可能会在高并发情况下影响性能。

总结

单例模式是一种非常常见且有用的设计模式，能够确保类只有一个实例，并且提供全局访问点。在 Java 中，推荐使用静态内部类单例模式 和枚举单例模式，这两种方式在性能、线程安全性和代码简洁性上都非常优秀。