设计模式：深度解析单例模式

深度解析单例模式：从理论到实践

1. 引言

在软件开发中，设计模式是解决常见问题的经典解决方案。单例模式（Singleton Pattern）作为创建型模式之一，广泛应用于需要全局唯一实例的场景。本文将深入探讨单例模式的定义、实现方式、优缺点以及应用场景，并结合实际项目经验，为大厂面试中的深度追问提供详细解决方案。

2. 单例模式的定义与结构

2.1 定义

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。它通常用于控制资源的访问，如数据库连接、线程池等。

2.2 UML类图

Singleton

-static instance: Singleton

-Singleton()

+static getInstance()

2.3 代码示例

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

3. 单例模式的实现方式

3.1 饿汉式

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

优点：线程安全，实现简单。
缺点：类加载时就创建实例，可能造成资源浪费。

3.2 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：延迟加载，节省资源。
缺点：同步方法效率低。

3.3 双重检查锁

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，延迟加载，效率高。
缺点：实现复杂。

3.4 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。
缺点：无法传递参数。

3.5 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，实现简单。
缺点：不够灵活。

4. 单例模式的优缺点

4.1 优点

• 保证全局唯一实例，节省资源。
• 提供全局访问点，方便管理。

4.2 缺点

• 可能造成资源浪费（饿汉式）。
• 扩展困难，违反单一职责原则。

5. 单例模式的应用场景

• 数据库连接池：确保全局唯一连接池实例。
• 配置管理：全局唯一的配置管理器。
• 日志记录：全局唯一的日志记录器。

6. 结合实际项目

在某电商平台的订单系统中，我们使用单例模式管理订单服务。订单服务需要全局唯一实例，以确保订单处理的唯一性和一致性。

Client OrderService getInstance() instance placeOrder() orderId Client OrderService

7. 大厂面试深度追问

7.1 深度追问：如何防止单例模式被反射攻击？

解决方案：在单例模式的实现中，可以通过以下方式防止反射攻击：

1. 枚举实现：枚举类型天然防止反射攻击，因为JVM保证枚举实例的唯一性。
2. 私有构造函数：在构造函数中抛出异常，防止通过反射创建实例。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("Use getInstance() method to get the single instance of this class.");
        }
    }

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

7.2 深度追问：单例模式在多线程环境下的性能问题？

解决方案：在多线程环境下，单例模式的性能问题主要体现在同步锁的开销上。可以通过以下方式优化：

1. 双重检查锁：减少同步锁的使用频率，提高性能。
2. 静态内部类：利用类加载机制保证线程安全，无需同步锁。

public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

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

8. 结论

单例模式是设计模式中的重要组成部分，适用于需要全局唯一实例的场景。通过不同的实现方式，可以在保证线程安全的同时，优化性能。在实际项目中，合理使用单例模式，可以提高系统的可维护性和性能。