设计模式之 单例设计模式

单例设计模式（Singleton Design Pattern） 是软件开发中最常用的设计模式之一，属于 创建型设计模式。单例模式确保一个类在整个应用程序生命周期中只有一个实例，并提供一个全局访问点。

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1. 什么是单例模式？

单例模式是一种设计模式，其目标是确保某个类只有一个实例，并为其他代码提供一个全局访问点。该模式主要解决的问题是 控制实例数量并提供统一的访问接口。

单例模式的核心要素：

1. 唯一实例：确保类的实例在应用程序中始终只有一个。
2. 全局访问点：通过统一的接口访问该实例。
3. 受控实例化：通过隐藏构造方法来控制实例化过程。

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2. 单例模式的特点

• 控制全局状态：单例类通常用于管理全局状态或资源（如数据库连接、线程池）。
• 延迟加载（可选）：可以延迟实例的创建，以减少资源开销。
• 线程安全（需要额外处理）：在多线程环境下，确保单例实例的创建和访问是线程安全的。
• 对测试的影响：由于单例实例是全局的，它可能会对单元测试造成影响，需要通过依赖注入等方式规避。

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3. 单例模式的实现方式

单例模式在 Java 中的实现可以分为以下几种方式：

3.1 懒汉式（Lazy Initialization）

懒汉式实现会在第一次需要单例实例时才进行创建，这种方式可以延迟初始化，但需要注意线程安全问题。

实现代码：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    //构造方法私有化
    private Singleton(){}

    //提供公共接口
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点：

• 延迟初始化，节省资源。

缺点：

• 非线程安全。在多线程环境下，可能会出现多个线程同时创建实例的情况。

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3.2 线程安全的懒汉式

为了解决懒汉式的线程安全问题，可以对 getInstance() 方法加锁：

实现代码：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    //构造方法私有化
    private Singleton(){}

    //提供公共接口
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点：

• 线程安全。

缺点：

• 性能较差。synchronized 锁会导致每次调用 getInstance() 都需要加锁，即使实例已经创建。

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3.3 双重检查锁（Double-Checked Locking）

双重检查锁是一种优化方案，通过减少锁的粒度来提升性能，仅在实例未初始化时加锁。

实现代码：

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。
• 提高了性能，只有在实例未创建时才会加锁。

缺点：

• 代码较复杂，需要使用 volatile 关键字来防止指令重排。

在 Java 中，volatile 关键字用来确保变量在多个线程间的可见性，并防止 JVM 对变量的读写进行指令重排。通过 volatile，可以确保读取到的变量是最新值，从而避免出现不一致的问题。 

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3.4 饿汉式（Eager Initialization）

饿汉式在类加载时就创建实例，不存在线程安全问题，但会浪费资源。

实现代码：

public class Singleton {
    //类加载时实例化对象
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton(){}

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

优点：

• 实现简单。
• 线程安全（类加载是线程安全的）。

缺点：

• 提前创建实例，可能会造成资源浪费（如果实例很少被使用）。

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3.5 静态内部类（推荐方式）

静态内部类方式结合了懒汉式和饿汉式的优点，既支持延迟加载，又是线程安全的。

实现代码：

public class Singleton {
    private Singleton(){}

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

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

优点：

• 线程安全。
• 延迟加载，只有在第一次调用 getInstance() 时才会初始化。
• 实现简单，推荐使用。

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3.6 枚举实现（最佳方式）

使用枚举是实现单例模式的最佳方式，还能够避免反序列化和反射攻击。

实现代码：

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

优点：

• 简单、线程安全。
• 防止反射攻击：枚举类型在 JVM 层面天然防止反射创建新实例。
• 防止反序列化：枚举类型的反序列化会返回同一个实例。

缺点：

• 不够灵活，无法实现懒加载。

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4. 单例模式的应用场景

单例模式广泛用于需要共享资源或全局管理的场景，以下是一些典型的应用：

1. 配置管理：

   例如，读取配置文件的类需要全局唯一，以便统一管理配置。

2. 日志记录：

   日志记录类通常设计为单例模式，以确保日志文件或输出流的唯一性。

3. 数据库连接池：

   数据库连接池是一个全局共享资源，通常用单例模式实现。

4. 线程池管理：

   线程池需要全局管理，防止重复创建和销毁线程资源。

5. 操作系统资源管理：

   如窗口管理器、文件系统、打印机管理器等。

6. 缓存管理：

   缓存类作为全局资源，确保所有模块共享相同的数据。

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5. 单例模式的注意事项

1. 线程安全：

   在多线程环境中，懒汉式实现需要特别注意线程安全问题。

2. 反序列化漏洞：

   使用 Serializable 接口时，反序列化可能会创建新的实例。解决方法是重写 readResolve() 方法：

   protected Object readResolve() { 
       return getInstance(); 
   }

3. 反射攻击：

   反射可以通过私有构造方法创建多个实例。防御方法：
   • 在构造方法中检查是否已有实例

     private Singleton() { 
         if (instance != null) { 
             throw new RuntimeException("Instance already created"); 
         } 
     }

   • 使用枚举。

4. 适用性：

   单例模式适合需要全局唯一实例的场景，但滥用可能导致代码难以测试和扩展。