程序员必知！单例模式的实战应用与案例分析

单例模式是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例并提供全局访问点。它用于解决资源管理、全局访问、状态保持和代码简化等问题。在Java中，通过私有化构造函数和提供静态方法实现。使用单例模式可节省系统资源、提高代码可维护性和一致性，避免不一致状态，并简化代码结构和逻辑。

定义

在软件开发中，我们经常遇到一些资源，它们的数量有限或初始化成本很高，比如数据库连接、线程池和缓存。每次需要这些资源时都重新创建它们，不仅效率低下，还会浪费宝贵的系统资源。这时，单例模式就派上了用场。

单例模式是一种设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点，这意味着，无论你的应用程序的哪个部分需要这个实例，都可以通过同一个地方获取到。这样一来，那些高成本或稀缺的资源就能够在整个应用程序中被共享和重用，从而大大节省了系统资源。

除了资源控制外，单例模式还提供了一个全局的访问点，这极大地提高了代码的可维护性和一致性，因为开发者不需要记住或查找不同的实例创建方式，只需要通过单例模式提供的方法就能轻松获取到所需的实例。

此外，有些对象需要保持状态，比如配置管理器或日志记录器，通过单例模式，我们可以确保这些对象的状态在整个应用程序中保持一致，避免了因多个实例各自维护状态而导致的混乱和不可预测性。此外，单例模式还能简化代码的结构和逻辑。

由于单例模式的实例是全局可访问的，开发者无需将实例作为参数在方法或类之间传递，这不仅减少了代码的复杂性，还使得代码更加清晰易读。

代码案例

在软件开发中，单例模式主要用于以下场景：

1. 资源控制：对于数据库连接、线程池、缓存等系统资源，通过单例模式确保全局只有一个实例，从而有效控制资源的创建和销毁。
2. 全局状态管理：当系统中某个对象的状态需要全局共享时，单例模式可以确保该对象的状态一致性。
3. 配置管理：应用程序的配置信息通常只需要加载一次，并在整个应用生命周期中保持不变，单例模式可以确保配置信息的唯一性和全局可访问性。

单例模式有两种比较常见的写法：懒汉模式和饿汉模式。懒汉模式与饿汉模式是实现单例模式的两种主要策略。懒汉模式延迟实例化对象，仅在首次使用时创建，节省资源但多线程下需考虑同步问题。相反，饿汉模式在类加载时即完成实例化，确保线程安全但可能导致不必要的资源占用，如下代码所示：

懒汉模式

懒汉模式的特点是延迟加载，即在第一次使用时才创建实例。

反例，非线程安全的实现，在多线程环境下可能导致创建多个实例，代码如下：

/**
 * @版权 Copyright by 程序员古德 

 * @创建人 程序员古德 

 * @创建时间 2023/12/19 16:37 

 */

public class Singleton {  
    private static Singleton instance; // 没有使用volatile修饰，可能存在可见性问题  
      
    private Singleton() {} // 私有构造方法  
      
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) { // 没有进行双重检查锁定，可能导致多个实例被创建  
            instance = new Singleton(); // 创建实例  
        }  
        return instance; // 返回实例  
    }  
}

正例，使用双重检查锁定确保线程安全，代码如下：

/**
 * @版权 Copyright by 程序员古德 

 * @创建人 程序员古德 

 * @创建时间 2023/12/19 16:37 

 */

public class Singleton {  
    private static volatile Singleton instance; // volatile保证可见性  
      
    private Singleton() {} // 私有构造方法  
      
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) { // 第一次检查  
            synchronized (Singleton.class) { // 同步代码块  
                if (instance == null) { // 第二次检查  
                    instance = new Singleton(); // 创建实例  
                }  
            }  
        }  
        return instance; // 返回实例  
    }  
}

饿汉模式

饿汉模式的特点是提前加载，即在类加载时就创建实例。

反例，尝试使用非final静态变量，这可能导致在某些情况下重新赋值，代码如下：

/**
 * @版权 Copyright by 程序员古德 

 * @创建人 程序员古德 

 * @创建时间 2023/12/19 16:37 

 */

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton(); // 注意这里没有使用final修饰符  
  
    private Singleton() {}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance; // 如果其他代码修改了instance，就可能违反单例模式的约束。  
    }  
}

正例，线程安全的实现，在类加载时直接初始化静态实例，无需考虑多线程同步问题，代码如下：

/**
 * @版权 Copyright by 程序员古德 

 * @创建人 程序员古德 

 * @创建时间 2023/12/19 16:37 

 */

public class Singleton {  
    private static final Singleton instance = new Singleton(); // 在类加载时就完成了初始化，所以类加载较慢，但获取对象的速度快。  
  
    private Singleton() {}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}

核心总结

单例模式，作为创建型设计模式之一，在软件开发中占据重要地位。它确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

这种模式的适用性广泛，尤其在需要频繁创建和销毁对象的场景中，单例模式能有效减少系统开销。通过隐藏类的构造函数，单例模式避免了外部代码随意创建对象，从而确保对象的唯一性。在实现上，主要有懒汉式和饿汉式两种方式，各有优缺点。懒汉式延迟实例化对象，只在首次使用时创建，但多线程环境下需要额外同步机制保证线程安全；饿汉式则在类加载时就完成实例化，天然线程安全但可能导致资源浪费。正确选择和使用单例模式，能够提高系统的性能和稳定性。同时，理解其背后的设计思想和适用场景，对于提升软件设计能力和解决实际问题具有重要意义。