单例模式

设计模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常见的设计模式，属于创建型设计模式（Creational Design Patterns），旨在确保一个类在整个系统中只有一个实例，并且提供一个全局的访问点来获取这个实例。

具体来说，单例模式通过限制类的实例化次数，确保系统中只有一个该类的对象存在。这通常用于以下场景：

  • 当系统需要共享一个资源，比如数据库连接、日志记录器或配置管理器时。
  • 确保一个类的实例被全局共享，避免资源浪费。

为什么要使用单例模式呢（什么时候应该使用单例模式）

单例模式的使用场景通常包括以下几种情况：

  1. 节约资源：当多个模块或组件需要共享同一个资源时。使用单例模式可以确保资源的一致性，避免重复创建和销毁实例。例如，数据库连接池、线程池等。

  2. 全局控制：保证只有一个实例，这样就可以严格的控制客户怎样访问它以及何时访问它，简单的说就是对唯一实例的受控访问。

  3. 控制实例数量：在某些情况下，系统中某个类的实例只能有一个，否则会导致逻辑错误或资源冲突。例如，配置管理器、日志记录器等。

  4. 懒加载：单例模式可以延迟实例的创建，直到第一次使用时才进行初始化，从而节省系统资源。

单例模式的基本要求

  1. 私有的静态实例变量：类内部维护一个静态的实例变量，用于保存唯一的实例。

  2. 私有构造函数：防止外部通过 new 关键字创建实例，确保实例的唯一性。

  3. 公有静态访问方法：提供一个静态的公共方法（通常命名为 getInstance），用于获取该类的唯一实例。

  4. 线程安全：在多线程环境下，确保单例模式的实现是线程安全的，避免多个线程同时创建多个实例。

单例模式的实现方法

  1. 懒汉式（Lazy Initialization）
    懒汉式单例模式在第一次调用 getInstance 方法时才创建实例。优点是延迟初始化，节省资源；缺点是在多线程环境下需要额外的同步机制来保证线程安全。

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    public class Singleton {
        private static Singleton instance;

        private Singleton() {}

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

  2. 饿汉式（Eager Initialization）
    饿汉式单例模式在类加载时就创建实例。优点是实现简单，线程安全；缺点是如果实例一直没有被使用，会造成资源浪费。

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

        private Singleton() {}

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

  3. 双重检查锁（Double-Checked Locking）
    双重检查锁单例模式结合了懒汉式和饿汉式的优点，既实现了延迟初始化，又保证了线程安全。

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    public class Singleton {
        private static volatile Singleton instance;

        private Singleton() {}

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

单例模式的优缺点

优点:

  • 控制实例数量：确保系统中只有一个实例，避免资源浪费。
  • 全局访问点：提供了一个全局的访问点，方便其他模块获取实例。
  • 延迟初始化：可以在需要时才创建实例，节省系统资源。

缺点:

  • 难以扩展：单例模式通常难以扩展，因为它的实例是全局唯一的，扩展可能会导致设计复杂化。
  • 违反单一职责原则：单例类通常既负责业务逻辑，又负责实例管理，违反了单一职责原则。
  • 测试困难：由于单例模式的全局性，单元测试时可能会遇到困难，尤其是在需要模拟或替换单例实例时。

单例模式的应用场景

单例模式的应用场景非常广泛，在以下几个方面有着广泛的应用：

  • 配置管理：系统中通常只需要一个配置管理器来读取和保存配置信息。
  • 日志记录：日志记录器通常只需要一个实例来记录系统的运行日志。
  • 数据库连接池：数据库连接池通常只需要一个实例来管理数据库连接。
  • 缓存系统：缓存系统通常只需要一个实例来管理缓存数据。
  • 线程池：线程池通常只需要一个实例来管理线程资源。
  • 硬件访问：某些硬件资源（如打印机、扫描仪等）通常只需要一个实例来管理访问。