创建型模式：单例模式

什么是单例模式

单例模式是最简单也是最常用的设计模式之一，它确保一个类在整个应用中只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。就像一个国家只能有一位总统，一个班级只能有一位班长一样，单例模式保证某些特定类的对象全局唯一。

为什么需要单例模式

想象一下，如果我们的应用程序中有一个负责管理系统配置的类。如果这个类的实例到处都在创建，不仅浪费内存资源，更重要的是可能导致配置信息的不一致。单例模式就是为了解决这类问题而生的。

单例模式的核心实现

public class Singleton {
    // 私有静态实例变量
    private static Singleton instance;
    
    // 私有构造函数，防止外部直接创建实例
    private Singleton() {
        // 初始化代码
    }
    
    // 公共静态方法，提供全局访问点
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        // 懒加载：只有在第一次调用时才创建实例
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
    
    // 业务方法
    public void doSomething() {
        System.out.println("单例执行某些操作");
    }
}

单例模式的关键点

1. 私有构造函数：防止外部通过new关键字创建实例
2. 私有静态变量：持有唯一实例
3. 公共静态方法：提供获取实例的唯一途径
4. 懒加载：实例在首次使用时才被创建

实际应用示例：配置管理器

下面通过一个配置管理器的例子来展示单例模式的实际应用：

import java.util.HashMap;

public class ConfigManager {
    // 私有静态实例
    private static ConfigManager instance;
    
    // 存储配置信息
    private HashMap<String, String> configMap;
    
    // 私有构造函数
    private ConfigManager() {
        System.out.println("配置管理器初始化中...");
        configMap = new HashMap<>();
        // 加载配置（实际应用中可能从文件或数据库加载）
        configMap.put("数据库地址", "jdbc:mysql://localhost:3306/mydb");
        configMap.put("最大连接数", "100");
        configMap.put("超时时间", "3000");
    }
    
    // 获取实例的方法
    public static synchronized ConfigManager getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new ConfigManager();
        }
        return instance;
    }
    
    // 获取配置项
    public String getConfig(String key) {
        return configMap.get(key);
    }
    
    // 更新配置项
    public void updateConfig(String key, String value) {
        configMap.put(key, value);
    }
}

如何使用单例模式

public class SingletonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 应用启动
        System.out.println("应用程序启动");
        
        // 在应用的不同部分获取配置
        
        // 用户管理模块获取配置
        ConfigManager userConfig = ConfigManager.getInstance();
        System.out.println("用户模块获取数据库地址: " + userConfig.getConfig("数据库地址"));
        
        // 更新配置值
        userConfig.updateConfig("数据库地址", "jdbc:mysql://192.168.1.100:3306/userdb");
        
        // 订单管理模块获取配置
        ConfigManager orderConfig = ConfigManager.getInstance();
        System.out.println("订单模块获取数据库地址: " + orderConfig.getConfig("数据库地址"));
        
        // 验证是否同一个实例
        System.out.println("是否为同一个配置管理器实例: " + (userConfig == orderConfig));
    }
}

运行结果

应用程序启动
配置管理器初始化中...
用户模块获取数据库地址: jdbc:mysql://localhost:3306/mydb
订单模块获取数据库地址: jdbc:mysql://192.168.1.100:3306/userdb
是否为同一个配置管理器实例: true

单例模式的常见应用场景

1. 配置管理器：存储和管理应用配置信息
2. 数据库连接池：管理数据库连接资源
3. 线程池：集中管理线程资源
4. 日志管理器：统一日志记录
5. 缓存：应用级缓存管理
6. 对话框管理器：管理UI组件
7. 打印机后台处理程序：管理打印任务队列

单例模式的优点

1. 资源节约：避免重复创建对象，节省内存资源
2. 保证一致性：确保所有代码访问的是同一个实例，数据保持一致
3. 方便访问：提供全局访问点，无需在应用中传递对象
4. 延迟初始化：第一次使用时才创建实例，提高启动性能

单例模式的缺点

1. 线程安全问题：在多线程环境下需要特别注意实现方式
2. 单一职责违背：单例类可能承担过多职责
3. 测试困难：全局状态使单元测试变得复杂
4. 扩展性受限：不易扩展为多个实例

进阶：线程安全的单例实现

以下是几种更加安全和高效的单例实现方式：

1. 饿汉式（静态初始化）

public class EagerSingleton {
    // 在类加载时就创建实例
    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();
    
    private EagerSingleton() {}
    
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

2. 双重检查锁定

public class DCLSingleton {
    // volatile关键字确保多线程可见性
    private static volatile DCLSingleton instance;
    
    private DCLSingleton() {}
    
    public static DCLSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLSingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

3. 静态内部类方式

public class StaticInnerSingleton {
    private StaticInnerSingleton() {}
    
    // 静态内部类，延迟加载，线程安全
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerSingleton INSTANCE = new StaticInnerSingleton();
    }
    
    public static StaticInnerSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

单例模式小结

单例模式虽然简单，但应用广泛。它通过限制实例化和提供全局访问点，帮助我们管理全局状态和共享资源。在选择单例模式时，需要权衡其优缺点，并根据实际需求选择合适的实现方式。掌握单例模式，是理解更复杂设计模式的基础，也是编写高质量代码的重要步骤。