第 1 天：单例模式（Singleton Pattern）—— 创建型模式

第 1 天：单例模式（Singleton Pattern）—— 创建型模式

1. 核心定义

单例模式确保一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。它的核心是 “控制实例数量”，避免重复创建消耗资源的对象（如数据库连接池、配置管理器）。

2. 解决的核心问题

• 避免多个实例导致的资源浪费（如频繁创建数据库连接）；
• 防止多个实例引发的数据不一致（如配置文件读取实例，多实例可能导致配置冲突）；
• 提供统一的全局访问入口，简化对象调用。

3. 关键设计要点

• 私有构造函数：禁止外部通过 new 关键字创建实例；
• 私有静态成员变量：存储类的唯一实例；
• 公有静态方法：作为全局访问点，返回唯一实例（需处理线程安全问题）。

4. 常见实现方式（Java 示例）

方式 1：饿汉式（线程安全，简单但可能浪费资源）

“饿汉式” 在类加载时就创建实例，避免线程安全问题，但如果实例未被使用，会提前占用内存。

public class HungrySingleton {
    // 1. 私有静态成员变量：类加载时创建唯一实例
    private static final HungrySingleton INSTANCE = new HungrySingleton();
    
    // 2. 私有构造函数：禁止外部new
    private HungrySingleton() {}
    
    // 3. 公有静态方法：返回实例
    public static HungrySingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

方式 2：懒汉式（线程不安全→线程安全优化）

“懒汉式” 在首次调用 getInstance() 时才创建实例，节省内存，但需额外处理线程安全（否则多线程下可能创建多个实例）。

线程安全优化版（双重检查锁定） ：

public class LazySingleton {
    // 1. 私有静态成员变量：volatile防止指令重排序（关键！）
    private static volatile LazySingleton INSTANCE;
    
    // 2. 私有构造函数
    private LazySingleton() {}
    
    // 3. 公有静态方法：双重检查锁定
    public static LazySingleton getInstance() {
        // 第一次检查：避免已创建实例时的锁竞争
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (LazySingleton.class) {
                // 第二次检查：防止多线程同时进入第一个检查后重复创建
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

方式 3：静态内部类（推荐，线程安全且延迟加载）

利用 Java “静态内部类加载时机” 的特性：内部类在被调用时才加载，既实现延迟加载，又天然避免线程安全问题（类加载过程由 JVM 保证线程安全）。

public class StaticInnerClassSingleton {
    // 1. 私有构造函数
    private StaticInnerClassSingleton() {}
    
    // 2. 静态内部类：存储唯一实例
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerClassSingleton INSTANCE = new StaticInnerClassSingleton();
    }
    
    // 3. 公有静态方法：调用内部类的实例
    public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

5. 应用场景

• 系统中只能有一个实例的对象，如：

  • 数据库连接池（DataSource）；
  • 配置文件管理器（读取全局配置）；
  • 日志工具类（避免多实例写入日志时的冲突）；
  • 操作系统的任务管理器、回收站。

6. 注意事项

• 线程安全：懒汉式必须处理线程安全，否则多线程环境下会破坏 “单例” 特性；
• 序列化问题：若单例类实现 Serializable，需重写 readResolve() 方法，否则反序列化会创建新实例；
• 反射攻击：私有构造函数可通过反射被调用，需在构造函数中添加判断（若实例已存在则抛异常）。