单例模式详解

一、什么是单例模式？

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式 ，核心思想是：
保证一个类在整个程序运行期间，有且仅有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个唯一实例。

核心特点

1. 唯一实例：类只能被实例化一次。
2. 全局访问：提供一个静态方法，让外部能方便地获取这个唯一实例。
3. 私有构造 ：构造方法私有化，禁止外部通过 new 关键字创建实例。

适用场景

• 配置类（如数据库连接配置、系统配置）
• 日志类（全局统一日志输出）
• 线程池、缓存、连接池等需要共享资源的场景

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二、单例模式的实现方式

单例模式有多种实现方式，各有优缺点，下面是常见的几种：

1. 饿汉式（Eager Initialization）

特点：类加载时就创建实例，线程安全，但可能造成资源浪费（如果实例一直没被使用）。

public class Singleton {
    // 类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    // 私有构造
    private Singleton() {}
    
    // 全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

2. 懒汉式（Lazy Initialization）

特点 ：第一次调用 getInstance() 时才创建实例，节省资源，但非线程安全。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        // 非线程安全：多线程下可能创建多个实例
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

3. 双重检查锁（Double-Checked Locking）

特点 ：结合了懒汉式的延迟加载和线程安全，是最常用的高效实现方式。

public class Singleton {
    // volatile 禁止指令重排，保证多线程下的可见性
    private static volatile Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次检查：避免每次都加锁，提升性能
        if (instance == null) {
            // 加锁：保证同一时间只有一个线程进入
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次检查：防止多个线程同时通过第一次检查后，重复创建实例
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

关键细节

• volatile 关键字 ：
  • 保证变量的可见性 ：一个线程修改了 instance，其他线程能立即看到。
  • 禁止指令重排 ：new Singleton() 分为三步（分配内存、初始化对象、引用赋值），volatile 防止这三步被重排，避免多线程下获取到未初始化的实例。
• 双重检查 ：
  • 第一次检查：快速判断，避免每次都进入同步块，提升性能。
  • 第二次检查：在同步块内再次判断，确保只创建一个实例。

4. 静态内部类（Static Inner Class）

特点：利用类加载机制实现延迟加载和线程安全，代码简洁，推荐使用。

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    
    // 静态内部类：只有在被调用时才会加载，实现延迟加载
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

5. 枚举（Enum）

特点 ：最简洁、最安全的实现方式，天然防止反射和序列化破坏单例，推荐使用。

public enum Singleton {
    INSTANCE; // 唯一实例
    
    // 可以添加其他方法
    public void doSomething() {
        // 业务逻辑代码
    }
}

// 使用方式
Singleton.INSTANCE.doSomething();

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三、单例模式的破坏与防护

1. 反射破坏

反射可以通过 setAccessible(true) 绕过私有构造，创建多个实例。

防护：

• 在构造方法中判断实例是否已存在，若存在则抛出异常。

private Singleton() {
    if (instance != null) {
        throw new RuntimeException("单例模式禁止反射创建实例");
    }
}

• 使用枚举实现，天然防止反射破坏。

2. 序列化破坏

如果单例类实现了 Serializable 接口，反序列化时会创建新的实例。

防护：

• 重写 readResolve() 方法，返回单例实例。

private Object readResolve() {
    return instance;
}

• 使用枚举实现，天然防止序列化破坏。

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四、实现方式对比

实现方式	线程安全	延迟加载	性能	推荐度
饿汉式	✅	❌	高	⭐⭐⭐
懒汉式	❌	✅	低	❌
双重检查锁	✅	✅	高	⭐⭐⭐⭐
静态内部类	✅	✅	高	⭐⭐⭐⭐⭐
枚举	✅	✅	高	⭐⭐⭐⭐⭐

最佳实践

• 追求简洁和安全：使用枚举。
• 追求延迟加载和性能：使用静态内部类 或双重检查锁。

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五、总结

1. 单例模式的核心是保证类只有一个实例，并提供全局访问点，构造方法必须私有化。
2. 饿汉式线程安全但无延迟加载，懒汉式有延迟加载但非线程安全，双重检查锁和静态内部类兼顾了线程安全与延迟加载。
3. 枚举是最安全的单例实现方式，能天然抵御反射和序列化破坏，推荐优先使用。