Java单例模式详解与实现方式

以下内容由AI生成，仅作参考与记录

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最常用的设计模式之一，属于创建型模式。它的核心目标是确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

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核心思想

1. 私有化构造方法：禁止通过 new 创建实例。
2. 静态私有成员变量：保存类的唯一实例。
3. 静态公有方法：提供获取唯一实例的入口。

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常见实现方式

1. 饿汉式（Eager Initialization）

在类加载时直接创建实例，线程安全但可能浪费资源。

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton() {} // 私有构造
    
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

2. 懒汉式（Lazy Initialization）

延迟实例化，但需处理多线程安全问题。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    // 方法加锁（影响性能）
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

3. 双重检查锁（Double-Checked Locking）

减少同步开销，线程安全且高效。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

4. 静态内部类（Static Inner Class）

利用类加载机制保证线程安全，延迟加载。

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

5. 枚举（Enum，推荐方式）

简洁、线程安全、防止反射攻击，是《Effective Java》推荐的方式。

public enum Singleton {
    INSTANCE; // 单例实例
    
    public void doSomething() {
        // 业务逻辑
    }
}

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应用场景

• 需要频繁创建销毁的对象（如线程池、数据库连接池）。
• 全局配置管理类（如读取配置文件）。
• 工具类（无状态的工具方法）。

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注意事项

1. 线程安全：确保多线程环境下单例的唯一性。
2. 反射攻击：通过反射可以破坏单例，需额外处理（如枚举天然防御）。
3. 序列化问题：反序列化可能生成新对象，需实现 readResolve() 方法。
4. 避免滥用：单例模式会引入全局状态，增加代码耦合度。

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为什么推荐枚举实现？

• 天然防止反射和序列化破坏单例。
• 代码简洁，无复杂同步逻辑。
• 由 JVM 保证线程安全。

枚举实现单例模式不仅简洁安全，还能通过丰富的代码结构实现复杂逻辑。以下是不同场景下的具体示例：

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示例 1：基础工具类单例

实现一个全局的日期格式化工具类，提供线程安全的日期格式化方法：

public enum DateUtils {
    INSTANCE;

    private final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public String format(Date date) {
        return sdf.format(date);
    }

    public Date parse(String dateStr) throws ParseException {
        return sdf.parse(dateStr);
    }
}

// 使用示例
String dateStr = DateUtils.INSTANCE.format(new Date());

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示例 2：带初始化的配置管理单例

单例加载配置文件并缓存配置信息：

public enum ConfigManager {
    INSTANCE;

    private Properties config;

    // 枚举构造方法默认私有，在类加载时执行
    ConfigManager() {
        try (InputStream is = getClass().getResourceAsStream("/app.properties")) {
            config = new Properties();
            config.load(is);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException("Failed to load config", e);
        }
    }

    public String getProperty(String key) {
        return config.getProperty(key);
    }
}

// 使用示例
String dbUrl = ConfigManager.INSTANCE.getProperty("database.url");

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示例 3：实现接口的日志单例

单例实现日志接口，灵活扩展功能：

public interface Logger {
    void log(String message);
}

public enum FileLogger implements Logger {
    INSTANCE;

    private File logFile;

    FileLogger() {
        logFile = new File("app.log");
    }

    @Override
    public void log(String message) {
        try (FileWriter writer = new FileWriter(logFile, true)) {
            writer.write(message + "\n");
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("Log failed: " + e.getMessage());
        }
    }
}

// 使用示例
FileLogger.INSTANCE.log("User logged in at " + new Date());

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示例 4：数据库连接池管理

单例管理数据库连接池，确保全局唯一资源：

public enum ConnectionPool {
    INSTANCE;

    private HikariDataSource dataSource;

    ConnectionPool() {
        HikariConfig config = new HikariConfig();
        config.setJdbcUrl("jdbc:mysql://localhost:3306/mydb");
        config.setUsername("root");
        config.setPassword("password");
        dataSource = new HikariDataSource(config);
    }

    public Connection getConnection() throws SQLException {
        return dataSource.getConnection();
    }

    public void shutdown() {
        if (dataSource != null) {
            dataSource.close();
        }
    }
}

// 使用示例
Connection conn = ConnectionPool.INSTANCE.getConnection();

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示例 5：支持多方法的缓存管理

单例作为全局缓存，支持多种操作：

public enum CacheManager {
    INSTANCE;

    private final Map<String, Object> cache = new ConcurrentHashMap<>();

    public void put(String key, Object value) {
        cache.put(key, value);
    }

    public Object get(String key) {
        return cache.get(key);
    }

    public void remove(String key) {
        cache.remove(key);
    }

    public void clear() {
        cache.clear();
    }
}

// 使用示例
CacheManager.INSTANCE.put("user:1001", "Alice");
String user = (String) CacheManager.INSTANCE.get("user:1001");

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关键优势总结

1. 防反射攻击：枚举实例由 JVM 保证唯一性，无法通过反射创建新实例。
2. 线程安全：枚举实例在类加载时初始化，天然线程安全。
3. 序列化安全：默认处理序列化和反序列化，无需额外代码。
4. 代码简洁：无需手动处理双重检查锁或同步问题。

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适用场景

• 需要严格全局唯一性的组件（如配置管理、资源池）。
• 工具类或服务类（如日志、缓存、线程池）。
• 希望避免反射/序列化破坏单例的场景。