那些超经典的设计模式—单例模式

好记忆不如烂笔头，能记下点东西，就记下点，有时间拿出来看看，也会发觉不一样的感受.

单例设计模式是java中非常经典的设计模式，如下将好好讲解下java设计模式相关的知识。
 

1. 单例设计模式的前世今生

起源与背景

单例模式（Singleton Pattern）是设计模式中最为简单的一种模式，属于创建型模式。它的核心思想是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。

在软件开发中，有些对象只需要一个实例，例如系统配置管理器、日志记录器、线程池等。如果这些对象被多次实例化，可能会导致资源浪费或逻辑冲突。因此，单例模式应运而生，用于解决这类问题。

发展历程

• 早期实现：在 Java 的早期版本中，单例模式的实现主要依赖于私有化构造函数和静态方法。通过将构造函数设置为私有，防止外部直接实例化对象，再通过静态方法提供一个全局访问点。

• 线程安全问题：随着多线程编程的发展，单例模式的线程安全性问题逐渐暴露。如果多个线程同时调用单例的获取方法，可能会导致多个实例被创建。因此，引入了同步机制（如 synchronized）来解决这一问题。

• 性能优化：使用同步方法虽然解决了线程安全问题，但可能会带来性能瓶颈。因此，出现了双重检查锁定（Double-Check Locking）和初始化按需持有类（Initialization-on-demand Holder）等优化方式。

• 现代实现：在 Java 5 之后，引入了 enum 枚举来实现单例模式，这种方式不仅简单，而且天然线程安全，成为一种推荐的实现方式。

2. 单例设计模式的使用场景

单例模式适用于以下场景：

资源共享

• 配置管理器：系统中通常只需要一个配置管理器实例来加载和管理配置信息，避免重复加载配置文件。

• 日志记录器：日志记录器通常只需要一个实例，用于统一管理日志的输出，避免多个实例对日志文件的并发写入。

系统全局状态

• 线程池：线程池通常只需要一个实例，用于管理线程资源，避免过多线程的创建和销毁。

• 缓存管理器：缓存管理器通常只需要一个实例，用于管理缓存数据，避免多个实例之间的数据不一致。

性能优化

• 数据库连接池：数据库连接池通常只需要一个实例，用于管理数据库连接资源，避免频繁创建和销毁连接。

• 文件系统管理器：文件系统管理器通常只需要一个实例，用于管理文件资源，避免多个实例对文件系统的并发操作。
  

3. 单例设计模式的使用注意事项

线程安全

• 同步机制：如果单例模式的实现中涉及到多线程环境，必须确保线程安全。可以使用 synchronized 同步方法或同步代码块来防止多个线程同时创建实例。

• 双重检查锁定：在使用双重检查锁定时，必须将实例变量声明为 volatile，以防止指令重排序问题。

序列化问题

• 反序列化：如果单例类实现了 Serializable 接口，反序列化时可能会创建新的实例。可以通过实现 readResolve() 方法来解决这一问题，确保反序列化时返回同一个实例。

序列化问题

• 反射破坏：如果单例类的构造函数被反射调用，可能会破坏单例模式。可以通过在构造函数中添加额外的检查逻辑来防止反射破坏。

性能优化

• 懒汉式加载：如果单例实例的创建开销较大，可以使用懒汉式加载（延迟初始化），但需要确保线程安全。

• 饿汉式加载：如果单例实例的创建开销较小，可以使用饿汉式加载（在类加载时初始化），避免线程安全问题。

4. 单例模式的代码样例

以下是几种常见的单例模式实现方式及其代码样例：

饿汉式（线程安全，但可能浪费资源）

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
        // 私有构造函数，防止外部实例化
        if (instance != null) {
            throw new IllegalStateException("Already initialized");
        }
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

懒汉式（线程安全，但性能较差）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有构造函数，防止外部实例化
        if (instance != null) {
            throw new IllegalStateException("Already initialized");
        }
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁定（线程安全且性能较好）

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有构造函数，防止外部实例化
        if (instance != null) {
            throw new IllegalStateException("Already initialized");
        }
    }

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

初始化按需持有类（线程安全且性能较好）

public class Singleton {
    private Singleton() {
        // 私有构造函数，防止外部实例化
        if (Holder.INSTANCE != null) {
            throw new IllegalStateException("Already initialized");
        }
    }

    private static class Holder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }
}

枚举实现（线程安全且简单）

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    // 可以添加其他方法
    public void someMethod() {
        System.out.println("Singleton method called");
    }
}

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总结

单例模式是一种简单而强大的设计模式，适用于需要全局唯一实例的场景。在使用单例模式时，需要注意线程安全、序列化和反射破坏等问题，并根据实际需求选择合适的实现方式。