设计模式之单例模式：一个类就只有一个实例

1. 介绍

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单最常用的设计模式之一。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。

主要用来解决频繁创建和销毁全局使用的类实例的问题。当需要控制实例数目，节省系统资源时使用。

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。

2. 实现及相关代码

在 Java 中，单例模式（Singleton Pattern）的常见实现方式有 饿汉式（Eager Initialization） 和 懒汉式（Lazy Initialization） ，其中懒汉式又分为 线程不安全 和 线程安全（双重检查锁） 两种。

2.1 饿汉式（Eager Initialization）

特点：类加载时就初始化实例，线程安全，但可能浪费资源（如果实例未被使用）。

java 复制代码

public class EagerSingleton {

    // 类加载时就初始化实例
    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();

    // 私有构造方法，防止外部 new 实例
    private EagerSingleton() {}

    // 提供全局访问点
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

优点：

线程安全（JVM 保证类加载时初始化）
实现简单

缺点：

如果实例未被使用，会造成资源浪费

2.2 懒汉式（Lazy Initialization）

2.2.1 线程不安全版本（不推荐）

java 复制代码

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {}

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 多线程下可能创建多个实例
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

缺点：多线程环境下可能创建多个实例，不推荐使用。

2.2.2 线程安全版本（synchronized 方法）

java 复制代码

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {}

    // 加 synchronized 保证线程安全，但性能较差
    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

缺点：每次调用 getInstance() 都要加锁，性能较差。

2.2.3 双重检查锁（Double-Checked Locking，推荐）

java 复制代码

public class LazySingleton {
    // 使用 volatile 防止指令重排序
    private static volatile LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {}

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (LazySingleton.class) { // 加锁
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

优点：

线程安全
只有第一次初始化时加锁，后续调用无锁，性能较好

注意：volatile 关键字防止 JVM 指令重排序，避免返回未初始化的实例。

2.3 静态内部类实现（推荐）

java 复制代码

public class Singleton {
    private Singleton() {}

    // 静态内部类在第一次使用时加载，保证线程安全
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

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

优点：

线程安全（JVM 保证类加载时初始化）
懒加载（只有调用 getInstance() 时才初始化）
实现简单，无锁

3. 总结

实现方式	线程安全	懒加载	性能	适用场景
饿汉式	✅	❌	⭐⭐⭐	单例对象占用资源少，且一定会使用
懒汉式（synchronized）	✅	✅	⭐	不推荐，性能差
双重检查锁（DCL）	✅	✅	⭐⭐⭐	推荐，兼顾线程安全和性能
静态内部类	✅	✅	⭐⭐⭐	推荐，无锁，代码简洁