【设计模式】【创建型模式】单例模式（Singleton）

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一、入门

什么是单例模式？

单例模式是一种设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。它常用于需要全局唯一对象的场景，如配置管理、连接池等。

为什么要单例模式？

1. 节省资源
   • 场景：某些对象创建和销毁成本高，如数据库连接池、线程池等。
   • 原因：单例模式确保这些资源只创建一次，避免重复创建和销毁，节省系统资源。
2. 全局访问点
   • 场景：需要在多个模块或组件中共享同一个对象，如配置管理器、日志记录器等。
   • 原因：单例模式提供一个全局访问点，方便不同模块共享同一实例，避免频繁传递对象。
3. 保持一致性
   • 场景：需要确保某些操作或状态在整个应用中保持一致，如缓存管理、计数器等。
   • 原因：单例模式确保只有一个实例，避免多个实例导致状态不一致。
4. 控制实例数量
   • 场景：某些情况下，限制实例数量是必要的，如打印机管理、文件系统等。
   • 原因：单例模式确保只有一个实例存在，避免资源冲突或竞争条件。
5. 简化设计
   • 场景：某些设计模式（如工厂模式、抽象工厂模式）中，单例模式可以简化对象创建和管理。
   • 原因：单例模式减少对象创建的复杂性，使设计更简洁。

如何实现单例模式？

1. 私有构造函数：防止外部通过 new 创建实例。
2. 静态私有实例：类内部持有唯一的实例。
3. 静态公有方法：提供全局访问点，返回唯一实例。
   饿汉式

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

    // 私有构造函数，防止外部通过 new 创建实例
    private Singleton() {}

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

• 实例在类加载时立即创建。
• 无论是否使用，实例都会提前初始化。

特点

1. 线程安全：实例在类加载时创建，由 JVM 保证线程安全。
2. 提前加载：无论是否使用，实例都会在类加载时创建，可能会占用资源。
3. 实现简单：代码简洁，无需考虑多线程问题。

懒汉式

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

• 优点：线程安全。
• 缺点：每次调用都加锁，性能较差。

双重检查（DCL）

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

• 优点：线程安全且性能较好。
• 缺点：实现稍复杂。

静态内部类

public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

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

• 优点：线程安全，延迟加载，实现简单。
• 因为实例的创建由 JVM 在类加载时完成，且静态内部类的加载是线程安全的。
• 实例在第一次调用 getInstance() 时创建。
• 延迟加载（Lazy Initialization），只有在需要时才创建实例。

枚举

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void doSomething() {
        // 业务逻辑
    }
}

• 优点：线程安全，防止反射攻击，简洁。

二、单例模式在框架源码中的运用

Java 标准库 RunTime类

Runtime 类：Runtime 类是典型的单例模式实现，用于管理应用程序的运行环境。

public class Runtime {
    private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();
    private Runtime() {}
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }
}

• 通过 Runtime.getRuntime() 获取唯一的 Runtime 实例。

Spring Framework

Spring 框架中的单例模式主要用于管理 Bean 的生命周期。
Spring 的默认 Bean 作用域：

• Spring 容器中的 Bean 默认是单例的（Singleton 作用域），即每个 Spring 容器中只有一个实例。

@Service
public class UserService {
    // UserService 在 Spring 容器中是单例的
}

@Service
@Scope("singleton") // 默认就是单例，可以省略
public class UserService {
}

单例 Bean 的管理：

• Spring 容器通过单例模式确保全局唯一的 Bean 实例，避免重复创建。
• 示例：Spring 的 ApplicationContext 本身就是单例的。

三、总结

单例模式的优点

1. 全局唯一访问点
   • 单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点，方便其他模块或组件共享该实例。
   • 示例：配置管理器、日志记录器等。
2. 节省资源
   • 对于创建成本高的对象（如数据库连接池、线程池），单例模式可以避免重复创建和销毁，节省系统资源。
   • 示例：数据库连接池通常只需要一个实例来管理所有连接。
3. 保持一致性
   • 单例模式确保全局状态的一致性，避免多个实例导致状态冲突。
   • 示例：缓存管理器需要确保缓存数据的一致性。
4. 简化设计
   • 单例模式可以减少对象创建的复杂性，使代码更简洁。
   • 示例：Spring 框架中的单例 Bean 管理。
5. 线程安全（某些实现）
   • 通过正确的实现（如饿汉式、静态内部类、枚举），单例模式可以保证线程安全。

单例模式的缺点

1. 难以扩展
   • 单例模式通常通过私有构造函数限制实例化，导致难以扩展或修改。
   • 如果需要多个实例或修改单例行为，可能需要重构代码。
2. 隐藏依赖
   • 单例模式通过全局访问点获取实例，可能导致代码的依赖关系不清晰，增加调试和维护难度。
3. 测试困难
   • 单例模式的全局状态可能导致单元测试困难，因为测试用例之间可能会相互影响。
   • 示例：测试一个依赖单例类的模块时，可能需要重置单例状态。
4. 可能滥用
   • 单例模式容易被滥用，导致系统中出现大量全局状态，增加代码的耦合性。
5. 生命周期管理问题
   • 单例模式的生命周期通常与应用程序一致，可能导致资源无法及时释放。
   • 示例：单例对象持有数据库连接，可能导致连接无法关闭。

单例模式的适用场景

1. 全局唯一对象
   • 需要全局唯一的对象时，可以使用单例模式。
   • 示例：
     • 配置管理器（ConfigManager）。
     • 日志记录器（Logger）。
     • 数据库连接池（DataSource）。
2. 资源密集型对象
   • 对于创建成本高的对象，单例模式可以避免重复创建和销毁。
   • 示例：
     • 线程池（ThreadPool）。
     • 缓存管理器（CacheManager）。
3. 共享状态管理
   • 需要全局共享状态时，可以使用单例模式。
   • 示例：
     • 计数器（Counter）。
     • 全局锁（Lock）。
4. 工具类
   • 对于无状态的工具类，单例模式可以避免重复创建实例。
   • 示例：
     • 日期格式化工具（DateUtils）。
     • 字符串处理工具（StringUtils）。
5. 框架核心组件
   • 在框架中，单例模式常用于管理核心组件。
   • 示例：
     • Spring 的 ApplicationContext。
     • MyBatis 的 SqlSessionFactory。