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

推荐:

  • 如果单例对象占用资源少,且一定会使用 → 饿汉式

  • 如果需要懒加载,且对性能有要求 → 双重检查锁 或 静态内部类

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