设计模式之单例设计模式

单例设计模式（Singleton Design Pattern） 是软件开发中最常用的设计模式之一，属于 创建型设计模式。单例模式确保一个类在整个应用程序生命周期中只有一个实例，并提供一个全局访问点。

1. 什么是单例模式？

单例模式是一种设计模式，其目标是确保某个类只有一个实例，并为其他代码提供一个全局访问点。该模式主要解决的问题是 控制实例数量并提供统一的访问接口。

单例模式的核心要素：

唯一实例：确保类的实例在应用程序中始终只有一个。
全局访问点：通过统一的接口访问该实例。
受控实例化：通过隐藏构造方法来控制实例化过程。

2. 单例模式的特点

控制全局状态：单例类通常用于管理全局状态或资源（如数据库连接、线程池）。
延迟加载（可选）：可以延迟实例的创建，以减少资源开销。
线程安全（需要额外处理）：在多线程环境下，确保单例实例的创建和访问是线程安全的。
对测试的影响：由于单例实例是全局的，它可能会对单元测试造成影响，需要通过依赖注入等方式规避。

3. 单例模式的实现方式

单例模式在 Java 中的实现可以分为以下几种方式：

3.1 懒汉式（Lazy Initialization）

懒汉式实现会在第一次需要单例实例时才进行创建，这种方式可以延迟初始化，但需要注意线程安全问题。

实现代码：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    //构造方法私有化
    private Singleton(){}

    //提供公共接口
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点：

延迟初始化，节省资源。

缺点：

非线程安全。在多线程环境下，可能会出现多个线程同时创建实例的情况。

3.2 线程安全的懒汉式

为了解决懒汉式的线程安全问题，可以对 getInstance() 方法加锁：

实现代码：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    //构造方法私有化
    private Singleton(){}

    //提供公共接口
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点：

线程安全。

缺点：

性能较差。synchronized 锁会导致每次调用 getInstance() 都需要加锁，即使实例已经创建。

3.3 双重检查锁（Double-Checked Locking）

双重检查锁是一种优化方案，通过减少锁的粒度来提升性能，仅在实例未初始化时加锁。

实现代码：

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;
    }
}

优点：

线程安全。
提高了性能，只有在实例未创建时才会加锁。

缺点：

代码较复杂，需要使用 volatile 关键字来防止指令重排。

在 Java 中，volatile 关键字用来确保变量在多个线程间的可见性，并防止 JVM 对变量的读写进行指令重排。通过 volatile，可以确保读取到的变量是最新值，从而避免出现不一致的问题。

3.4 饿汉式（Eager Initialization）

饿汉式在类加载时就创建实例，不存在线程安全问题，但会浪费资源。

实现代码：

public class Singleton {
    //类加载时实例化对象
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton(){}

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

优点：

实现简单。
线程安全（类加载是线程安全的）。

缺点：

提前创建实例，可能会造成资源浪费（如果实例很少被使用）。

3.5 静态内部类（推荐方式）

静态内部类方式结合了懒汉式和饿汉式的优点，既支持延迟加载，又是线程安全的。

实现代码：

public class Singleton {
    private Singleton(){}

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

    public static Singleton instance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

优点：

线程安全。
延迟加载，只有在第一次调用 getInstance() 时才会初始化。
实现简单，推荐使用。

3.6 枚举实现（最佳方式）

使用枚举是实现单例模式的最佳方式，还能够避免反序列化和反射攻击。

实现代码：

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

优点：

简单、线程安全。
防止反射攻击：枚举类型在 JVM 层面天然防止反射创建新实例。
防止反序列化：枚举类型的反序列化会返回同一个实例。

缺点：

不够灵活，无法实现懒加载。

4. 单例模式的应用场景

单例模式广泛用于需要共享资源或全局管理的场景，以下是一些典型的应用：

配置管理：
例如，读取配置文件的类需要全局唯一，以便统一管理配置。
日志记录：
日志记录类通常设计为单例模式，以确保日志文件或输出流的唯一性。
数据库连接池：
数据库连接池是一个全局共享资源，通常用单例模式实现。
线程池管理：
线程池需要全局管理，防止重复创建和销毁线程资源。
操作系统资源管理：
如窗口管理器、文件系统、打印机管理器等。
缓存管理：
缓存类作为全局资源，确保所有模块共享相同的数据。

5. 单例模式的注意事项

线程安全：
在多线程环境中，懒汉式实现需要特别注意线程安全问题。
反序列化漏洞：
使用 Serializable 接口时，反序列化可能会创建新的实例。解决方法是重写 readResolve() 方法：
```
protected Object readResolve() { 
    return getInstance(); 
}
```
反射攻击：
反射可以通过私有构造方法创建多个实例。防御方法：
- 在构造方法中检查是否已有实例
```
private Singleton() { 
    if (instance != null) { 
        throw new RuntimeException("Instance already created"); 
    } 
}
```
- 使用枚举。
适用性：
单例模式适合需要全局唯一实例的场景，但滥用可能导致代码难以测试和扩展。