java23种设计模式-单例模式

单例模式（Singleton Pattern）学习笔记

定义

单例模式属于创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。是Java中最简单但实现最复杂的设计模式。

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适用场景

1. 需要控制资源访问（如数据库连接池）
2. 全局配置对象
3. 日志记录器
4. 设备管理器（如打印机服务）
5. 缓存系统
6. 线程池/连接池管理

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模式结构

类图

Singleton

-static instance: Singleton

-Singleton()

+static getInstance()

+otherMethod()

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️ 核心组成

1. 私有静态实例：存储唯一实例
2. 私有构造方法：防止外部实例化
3. 静态获取方法：全局访问入口
4. 线程安全措施：保证多线程环境正确性

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代码实现（6种经典写法）

1. 饿汉式（线程安全）

public class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();
    
    private EagerSingleton() {
        // 防止反射攻击
        if (INSTANCE != null) {
            throw new IllegalStateException("Already initialized");
        }
    }
    
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

2. 懒汉式（非线程安全）

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;
    
    private LazySingleton() {}
    
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

3. 同步方法懒汉式（线程安全）

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

4. 双重检查锁（DCL，线程安全）

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

5. 静态内部类（线程安全）

public class InnerClassSingleton {
    private InnerClassSingleton() {}
    
    private static class SingletonHolder {
        static final InnerClassSingleton INSTANCE = new InnerClassSingleton();
    }
    
    public static InnerClassSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

6. 枚举式（最佳实践，线程安全）

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    
    public void doSomething() {
        // 业务方法
    }
}

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✅ 优点

1. 严格控实例数量
2. 全局唯一访问点
3. 延迟初始化（部分实现）
4. 减少内存开销（避免重复创建）
5. 避免资源冲突

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⚠️ 缺点

1. 违反单一职责原则（同时控制创建和业务逻辑）
2. 单元测试困难（全局状态难以隔离）
3. 可能隐藏类间耦合关系
4. 需要特殊处理序列化/反射攻击
5. 长期持有可能造成内存泄漏

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防御措施

1. 防止反射攻击

private Singleton() {
    if (instance != null) {
        throw new IllegalStateException("Already initialized");
    }
}

2. 防止序列化破坏

// 添加readResolve方法
protected Object readResolve() {
    return getInstance();
}

3. 防止克隆破坏

@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    throw new CloneNotSupportedException();
}

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实现对比

实现方式	线程安全	懒加载	防止反射	防止序列化	性能
饿汉式	✅	❌	❌	❌	⭐⭐⭐⭐
同步方法	✅	✅	❌	❌	⭐
双重检查锁	✅	✅	❌	❌	⭐⭐⭐
静态内部类	✅	✅	❌	❌	⭐⭐⭐⭐
枚举式	✅	❌	✅	✅	⭐⭐⭐⭐

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实践建议

1. 优先选择枚举实现（Effective Java推荐）
2. 需要懒加载时用静态内部类方式
3. 避免使用synchronized方法（性能差）
4. 谨慎使用单例模式（考虑依赖注入）
5. 注意与Spring单例的区别：
   • Spring单例是容器级的
   • 设计模式单例是JVM级的

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典型应用

1. Runtime类（JDK内置单例）

   Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
   

2. 日志框架（LogManager）

   Logger logger = LogManager.getLogManager().getLogger("");
   

3. Spring容器（ApplicationContext）

   ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");
   

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扩展知识

1. 如何实现线程安全的延迟加载？

使用Initialization-on-demand holder惯用法（静态内部类实现）

2. volatile关键字的作用？

• 保证可见性
• 禁止指令重排序
• 在DCL模式中防止返回未初始化完毕的对象

3. 为什么推荐枚举实现？

• 自动处理序列化
• 防止反射攻击
• 保证线程安全
• 代码简洁

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掌握单例模式的关键在于理解实例控制和线程安全的平衡，根据具体场景选择合适的实现方式。在分布式系统、类加载器不同的环境等特殊场景下需要特别注意单例的有效范围。