设计模式-单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，它确保一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个实例。单例模式在软件开发中被广泛应用，特别是在那些需要严格控制实例数量，确保资源唯一性或共享资源的场景中。

1. 单例模式的特点

唯一性：在整个应用程序的生命周期内，一个特定的单例类只能有一个实例。这保证了在不同部分的代码中访问的是同一个对象，避免了因创建多个实例可能导致的资源浪费或数据不一致问题。
全局访问点：单例模式提供了一个全局访问点，通常是一个静态方法，使得应用程序的任何部分都可以方便地获取到这个唯一的实例。

2. 单例模式的实现方式

常见的单例模式实现方式有以下几种：

饿汉式单例：在类加载时就立即创建实例，所以它是线程安全的。

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public class EagerSingleton {
    // 在类加载时就创建实例
    private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private EagerSingleton() {}

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

懒汉式单例（线程不安全） ：在第一次调用 getInstance 方法时才创建实例。但这种方式在多线程环境下是不安全的，可能会创建多个实例。

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public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {}

    // 线程不安全的获取实例方法
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

懒汉式单例（线程安全） ：通过在 getInstance 方法上加 synchronized 关键字来确保线程安全，但这种方式会影响性能，因为每次调用该方法都需要进行同步操作。

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public class ThreadSafeLazySingleton {
    private static ThreadSafeLazySingleton instance;

    private ThreadSafeLazySingleton() {}

    // 线程安全的获取实例方法
    public static synchronized ThreadSafeLazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new ThreadSafeLazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁（DCL）单例 ：这是一种优化的懒汉式单例实现，既保证了线程安全，又提高了性能。它通过两次检查 instance 是否为 null，减少了不必要的同步操作。

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public class DoubleCheckedLockingSingleton {
    private static volatile DoubleCheckedLockingSingleton instance;

    private DoubleCheckedLockingSingleton() {}

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

这里使用 volatile 关键字是为了确保 instance 变量的可见性，防止指令重排导致的问题。

静态内部类单例 ：利用了类加载机制来保证线程安全，并且只有在调用 getInstance 方法时才会加载内部类并创建实例。

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public class StaticInnerClassSingleton {
    private StaticInnerClassSingleton() {}

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

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

3. 单例模式的适用场景

资源管理：例如数据库连接池、线程池等，这些资源创建成本较高，使用单例模式可以确保在整个应用程序中只创建一个实例，避免资源的重复创建和浪费。
全局配置：应用程序的全局配置信息，如系统参数、配置文件的读取实例等，使用单例模式可以保证在不同模块中获取到的配置信息是一致的。
日志记录：日志记录器通常设计为单例，确保在整个应用程序中使用同一个日志记录实例，方便统一管理和记录日志信息。

4. 单例模式的优缺点

优点：
- 节省资源：避免了频繁创建和销毁对象带来的资源开销，特别是对于创建成本较高的对象。
- 数据一致性：由于只有一个实例，不同部分的代码对其进行操作时，数据是一致的，便于共享和管理数据。
缺点：
- 全局状态：单例模式可能导致全局状态的存在，使得代码的可测试性变差。在单元测试中，可能需要特殊的处理来模拟单例的行为。
- 并发问题：如果实现不当，在多线程环境下可能会出现线程安全问题，如创建多个实例等。

单例模式是一种简单而强大的设计模式，在适当的场景下使用可以提高程序的性能和资源管理效率，但需要注意其线程安全性和对代码可测试性的影响。