当前位置：首页 > news >正文

单例模式：确保唯一实例的设计模式

news 2025/8/12 20:36:53

单例模式：确保唯一实例的设计模式

一、模式核心：保证类仅有一个实例并提供全局访问点

在软件开发中，有些类需要确保只有一个实例（如系统配置类、日志管理器），避免因多个实例导致状态混乱或资源浪费。

单例模式（Singleton Pattern） 通过私有化构造方法、持有唯一实例引用、提供静态访问接口，确保一个类在全局范围内只有一个实例，并提供统一的访问入口。核心解决：

实例唯一性：避免创建多个实例消耗资源（如数据库连接池、线程池）。
全局可访问性：为全局提供一个访问点，简化客户端调用。
延迟初始化：支持实例的延迟加载（按需创建），提升系统性能。

核心思想与 UML 类图

单例模式的核心是私有化构造方法，并通过静态方法返回唯一实例。常见实现方式包括：

饿汉式（类加载时立即创建实例）
懒汉式（第一次调用时创建实例，需处理线程安全）

PlantUML Diagram

二、核心实现：三种经典单例模式

1. 饿汉式单例（线程安全，类加载时创建实例）

public class EagerSingleton {  // 类加载时立即创建实例（静态变量初始化）  private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();  // 私有化构造方法，防止外部实例化  private EagerSingleton() {  System.out.println("创建饿汉式单例实例");  }  // 公共访问方法，直接返回实例  public static EagerSingleton getInstance() {  return instance;  }  
}

特点：

优点：简单可靠，类加载时完成初始化，天然线程安全。
缺点：无论是否使用都会创建实例，可能浪费内存（适用于实例创建成本低的场景）。

2. 懒汉式单例（线程不安全，延迟创建实例）

public class LazySingleton {  private static LazySingleton instance;  private LazySingleton() {  System.out.println("创建懒汉式单例实例");  }  // 未加锁，多线程环境可能创建多个实例  public static LazySingleton getInstance() {  if (instance == null) {  instance = new LazySingleton();  }  return instance;  }  
}

特点：

优点：延迟加载，节省内存。
缺点：多线程环境下不安全，可能出现多个实例（需改进为线程安全版本）。

3. 线程安全的懒汉式（双重检查锁定，DCL）

public class ThreadSafeSingleton {  private static volatile ThreadSafeSingleton instance; // volatile 禁止指令重排  private ThreadSafeSingleton() {  System.out.println("创建线程安全懒汉式单例实例");  }  public static ThreadSafeSingleton getInstance() {  // 第一次检查：实例是否已创建  if (instance == null) {  synchronized (ThreadSafeSingleton.class) { // 同步块，保证线程安全  // 第二次检查：防止多个线程同时通过第一次检查  if (instance == null) {  instance = new ThreadSafeSingleton();  }  }  }  return instance;  }  
}

关键细节：

volatile 关键字：确保 instance 的可见性和禁止指令重排，避免初始化未完成时被其他线程访问。
双重检查（Double-Check Locking）：减少同步块的竞争，提升性能。

三、进阶：使用枚举实现单例（推荐方式）

Java 枚举天然支持单例模式，且简洁可靠，自动处理序列化和反射攻击问题。

public enum EnumSingleton {  INSTANCE; // 唯一实例  // 附加方法示例  public void doSomething() {  System.out.println("枚举单例执行操作");  }  
}

调用方式：

EnumSingleton.INSTANCE.doSomething(); // 直接通过枚举成员访问

优点：

简洁高效，无需手动处理线程安全和序列化问题。
防止通过反射创建新实例（Enum 类禁止反射攻击）。

四、框架与源码中的单例实践

1. Spring 框架中的单例 Bean

Spring 默认创建的 Bean 是单例的，通过 BeanFactory 管理实例的唯一性。

@Service  
public class UserService {  // Spring 自动创建单例实例  
}

2. Log4j 日志管理器

Log4j 的 Logger 类使用单例模式，确保每个类对应的日志记录器唯一。

public class App {  private static final Logger logger = Logger.getLogger(App.class);  public static void main(String[] args) {  logger.info("单例日志记录器");  }  
}

五、避坑指南：正确使用单例模式的 4 个要点

1. 处理序列化与反序列化攻击

若单例类实现了 Serializable 接口，需添加 readResolve() 方法防止反序列化创建新实例：

protected Object readResolve() {  return instance; // 返回现有实例，避免创建新对象  
}

2. 防止反射攻击

通过在构造方法中添加校验，禁止通过反射创建多个实例：

private Singleton() {  if (instance != null) {  throw new IllegalStateException("单例实例已存在");  }  // 初始化逻辑  
}

3. 避免单例持有长生命周期对象

单例若持有大对象或上下文（如 ApplicationContext），可能导致内存泄漏，需及时释放资源。

4. 谨慎使用延迟加载

懒汉式单例需确保线程安全，否则可能引发 bug；若实例创建成本低，优先使用饿汉式或枚举式。

六、总结：何时该用单例模式？

适用场景	核心特征	典型案例
全局唯一配置	配置信息需要全局共享且唯一	系统配置类（ConfigManager）
资源池管理	控制资源（如数据库连接）的创建数量	数据库连接池、线程池
日志记录器	全局共享日志实例	Log4j、Logback
避免重复初始化	初始化成本高，需保证仅执行一次	重量级对象（如缓存管理器）