单例模式：全局唯一的管理者
在软件设计中，我们经常会遇到这样的场景：某个类只需要一个实例，并且这个实例需要被全局访问。比如配置文件管理器、线程池、数据库连接池等。如果创建多个实例，不仅浪费资源，还可能导致程序行为异常。这时，单例模式（Singleton Pattern）就派上了用场。
什么是单例模式？
单例模式是一种创建型设计模式，它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。单例模式的核心是控制实例的数量，从而节约系统资源，并保证全局状态的一致性。
单例模式的实现方式
单例模式有多种实现方式，每种方式都有其适用场景和优缺点。下面我们来看几种常见的实现方法。
1. 饿汉式单例
饿汉式单例在类加载时就创建实例，因此是线程安全的。
public class EagerSingleton {
// 在类加载时创建实例
private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
// 私有构造函数，防止外部实例化
private EagerSingleton() {}
// 提供全局访问点
public static EagerSingleton getInstance() {
return instance;
}
}
优点：实现简单，线程安全。 缺点：如果实例很大且长时间未使用，会造成资源浪费。
2. 懒汉式单例（非线程安全）
懒汉式单例在第一次使用时才创建实例，但基础实现不是线程安全的。
public class LazySingleton {
private static LazySingleton instance;
private LazySingleton() {}
public static LazySingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
3. 线程安全的懒汉式单例
通过添加synchronized关键字实现线程安全，但会影响性能。
public class ThreadSafeSingleton {
private static ThreadSafeSingleton instance;
private ThreadSafeSingleton() {}
public static synchronized ThreadSafeSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new ThreadSafeSingleton();
}
return instance;
}
}
4. 双重检查锁（Double-Checked Locking）
双重检查锁既实现了懒加载，又保证了线程安全，且减少了同步的开销。
public class DoubleCheckedSingleton {
// 使用volatile防止指令重排序
private static volatile DoubleCheckedSingleton instance;
private DoubleCheckedSingleton() {}
public static DoubleCheckedSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (DoubleCheckedSingleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new DoubleCheckedSingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
5. 静态内部类实现
这是推荐的一种实现方式，既实现了懒加载，又保证了线程安全。
public class InnerClassSingleton {
private InnerClassSingleton() {}
private static class SingletonHolder {
private static final InnerClassSingleton INSTANCE = new InnerClassSingleton();
}
public static InnerClassSingleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
原理：静态内部类在外部类加载时不会立即加载，只有在调用getInstance()方法时才会加载并初始化INSTANCE。
单例模式的应用场景
单例模式在以下场景中特别有用：
- 配置管理类：全局的配置信息只需要一个实例来管理。
- 数据库连接池：避免频繁创建和关闭连接，提高性能。
- 日志记录器：全局统一的日志记录实例。
- 缓存系统：如Redis客户端连接管理。
- 线程池：管理应用程序中的线程资源。
实际应用示例：配置管理器
下面我们实现一个简单的配置管理器单例：
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class ConfigManager {
private static volatile ConfigManager instance;
private Map<String, String> configMap;
private ConfigManager() {
// 初始化配置
configMap = new HashMap<>();
configMap.put("db.url", "localhost:3306");
configMap.put("db.username", "admin");
configMap.put("db.password", "password");
}
public static ConfigManager getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (ConfigManager.class) {
if (instance == null) {
instance = new ConfigManager();
}
}
}
return instance;
}
public String getConfig(String key) {
return configMap.get(key);
}
public void setConfig(String key, String value) {
configMap.put(key, value);
}
}
// 使用示例
public class Application {
public static void main(String[] args) {
String dbUrl = ConfigManager.getInstance().getConfig("db.url");
System.out.println("Database URL: " + dbUrl);
}
}
单例模式的注意事项
- 序列化问题：如果单例类需要序列化，需要实现
readResolve()方法防止反序列化时创建新实例。 - 反射攻击：通过反射可以调用私有构造函数，需要在构造函数中添加防止多次实例化的逻辑。
- 克隆问题：重写
clone()方法并抛出异常，防止通过克隆创建新实例。 - 多类加载器环境：在多个类加载器的环境中，单例可能会被多次实例化。
单例模式的优缺点
优点：
- 严格控制实例数量，节约系统资源
- 提供全局访问点，方便管理共享资源
- 避免对共享资源的多重占用
缺点：
- 违反了单一职责原则，既负责业务逻辑又控制实例化
- 难以扩展，通常需要修改代码而不是扩展
- 对单元测试不友好，因为全局状态难以隔离
总结
单例模式是设计模式中最简单但也是最常用的模式之一。它通过确保一个类只有一个实例，提供了对全局状态的统一管理。在选择实现方式时，需要根据具体的应用场景考虑线程安全、性能、资源消耗等因素。
虽然单例模式很有用，但也要避免滥用。只有在真正需要全局唯一实例的场景下才使用单例模式，否则可能会造成代码耦合度过高，难以测试和维护。
希望本文能帮助你更好地理解和应用单例模式，在你的下一个项目中优雅地实现全局唯一的管理者！