23种设计模式之单例模式

特拉熊
121 阅读5分钟

1. 什么是单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 GoF 23种设计模式中对象创建型设计模式之一，其核心思想是把构造函数藏起来，让外界拿不到 new 的入口，类内部提前（或第一次用时）new 好唯一实例，再通过一个全局访问点把这份实例交出去。

2.为什么需要单例模式

当系统中某些对象本质上全局唯一（如配置中心、线程池、缓存、日志对象、设备驱动、注册表、数据库连接池等）时，如果任由客户端随意 new，就会出现：

  • 资源浪费：同一类实例被重复创建，占用多余内存与句柄；高并发场景下还可能把 JVM 或操作系统资源耗尽。
  • 状态不一致：多个实例各自维护一份内部状态，导致配置、计数器、缓存、调度策略等数据出现“多份真相”，业务逻辑错乱。
  • 竞争与冲突：对独占资源（串口、打印机等）的并发访问失去统一协调，易产生死锁、覆盖、重复初始化等问题。
  • 难以热升级或监控：散落在各处的实例让“统一刷新配置”“统一收集指标”变得不可能，系统可运维性骤降。

单例模式通过“类只对外暴露一个全局访问点”并禁止外部 new，保证：

  1. 整个 JVM（或进程、容器）里仅存在一份实例，内存与资源开销可预测、可控制；
  2. 所有线程、所有模块看到的都是同一份状态，天然避免“副本漂移”；
  3. 初始化成本只发生一次（懒汉/饿汉/静态内部类/枚举等方式可灵活选择时机），后续调用近乎零开销；
  4. 客户端与具体类解耦——只依赖 getInstance() 返回的接口，更换实现无需改动业务代码；
  5. 可以方便地在此基础上做统一生命周期管理（刷新、销毁、监控、代理、AOP 等），提升可维护性。

因此，单例模式特别适用于“系统中必须且只能有唯一一个对象”的场景，是节约资源、保证一致性、简化协调的基石型手段。

3. Java代码示例

第一种实现方式（标准实现）：双重检查锁定 + volatile

这是最常用且线程安全的单例模式实现方式，配合 volatile 关键字防止指令重排序。这是兼顾性能与线程安全的标准实现。

public class Singleton {
    // 使用 volatile 禁止指令重排序，确保多线程环境下正确初始化
    private static volatile Singleton instance;

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {
        // 防止通过反射攻击破坏单例（可选增强）
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("请使用 getInstance() 获取单例实例");
        }
    }

    // 提供全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次检查（无锁，提高性能）
        if (instance == null) { 
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次检查（确保只有一个线程创建实例）
                if (instance == null) { 
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

第二种实现方式：静态内部类

利用类加载机制保证线程安全，延迟加载，代码简洁

public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

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

第三种实现方式：枚举

《Effective Java》作者 Joshua Bloch 推荐此方式，天然防止反射、序列化等问题。

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    // 可添加方法
    public void doSomething() {
        // ...
    }
}

4. 优缺点

维度优点（Pros）缺点（Cons）
资源控制确保系统中仅存在一个实例，有效节省内存和系统资源（如数据库连接池、配置管理器等）。容易被滥用，将本应由容器或依赖注入管理的对象硬编码为单例，掩盖了设计耦合问题。
全局访问提供统一、便捷的全局访问点，简化对象获取逻辑。引入隐式全局状态，导致模块间紧耦合，违反“显式依赖”原则，降低代码可读性和可维护性。
线程安全通过双重检查锁定（DCL + volatile）、静态内部类或枚举等方式可实现线程安全。实现不当（如未加锁的懒汉式）会导致多线程下创建多个实例；加锁虽安全但可能影响高并发性能（现代 JVM 优化后影响较小）。
延迟初始化懒加载实现（如 DCL、静态内部类）支持按需创建实例，避免应用启动时不必要的开销。饿汉式在类加载时即创建实例，即使未使用也会占用资源，无法实现延迟加载。
安全性枚举实现天然防止通过反射或反序列化创建新实例，是最安全的单例形式。普通实现若未重写 readResolve() 方法，反序列化会生成新对象；反射可绕过私有构造函数（需额外校验防护）。
性能避免重复创建对象，减少内存分配和垃圾回收压力。懒加载首次调用时需同步（如加锁），有轻微性能开销；但后续访问无锁，整体性能良好。

5. 典型应用

  • Java Runtime.getRuntime()：Runtime 类代表 Java 虚拟机（JVM）的运行时环境。每个 JVM 进程只能有一个运行时实例，用于执行如启动外部进程、获取内存信息等操作。
  • Spring Bean（默认单例）：在 Spring 框架中，Bean 的作用域（scope）默认是 singleton，即在整个 Spring IoC 容器中，某个 Bean 类型只会有一个实例。Spring 并不是通过传统单例模式（私有构造函数 + getInstance） 实现的，而是由 IoC 容器统一管理。

一句话总结：单例模式就像你电脑里的任务管理器——无论点多少次，打开的都是同一个窗口。

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