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一、入门
什么是单例模式？
单例模式是一种设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。它常用于需要全局唯一对象的场景，如配置管理、连接池等。
为什么要单例模式？
- 节省资源
- 场景：某些对象创建和销毁成本高，如数据库连接池、线程池等。
- 原因：单例模式确保这些资源只创建一次，避免重复创建和销毁，节省系统资源。
- 全局访问点
- 场景：需要在多个模块或组件中共享同一个对象，如配置管理器、日志记录器等。
- 原因：单例模式提供一个全局访问点，方便不同模块共享同一实例，避免频繁传递对象。
- 保持一致性
- 场景：需要确保某些操作或状态在整个应用中保持一致，如缓存管理、计数器等。
- 原因：单例模式确保只有一个实例，避免多个实例导致状态不一致。
- 控制实例数量
- 场景：某些情况下，限制实例数量是必要的，如打印机管理、文件系统等。
- 原因：单例模式确保只有一个实例存在，避免资源冲突或竞争条件。
- 简化设计
如何实现单例模式？
- 私有构造函数：防止外部通过 new 创建实例。
- 静态私有实例：类内部持有唯一的实例。
- 静态公有方法：提供全局访问点，返回唯一实例。
饿汉式
java">public class Singleton {
// 在类加载时就创建实例
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
// 私有构造函数，防止外部通过 new 创建实例
private Singleton() {}
// 提供全局访问点
public static Singleton getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
- 实例在类加载时立即创建。
- 无论是否使用，实例都会提前初始化。
特点
- 线程安全：实例在类加载时创建，由 JVM 保证线程安全。
- 提前加载：无论是否使用，实例都会在类加载时创建，可能会占用资源。
- 实现简单：代码简洁，无需考虑多线程问题。
懒汉式
java">public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
- 优点：线程安全。
- 缺点：每次调用都加锁，性能较差。
双重检查（DCL）
java">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：线程安全且性能较好。
- 缺点：实现稍复杂。
静态内部类
java">public class Singleton {
private Singleton() {}
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
- 优点：线程安全，延迟加载，实现简单。
- 因为实例的创建由 JVM 在类加载时完成，且静态内部类的加载是线程安全的。
- 实例在第一次调用 getInstance() 时创建。
- 延迟加载（Lazy Initialization），只有在需要时才创建实例。
枚举
java">public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomething() {
// 业务逻辑
}
}
- 优点：线程安全，防止反射攻击，简洁。
二、单例模式在框架源码中的运用
Java 标准库 RunTime类
Runtime 类：Runtime 类是典型的单例模式实现，用于管理应用程序的运行环境。
java">public class Runtime {
private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();
private Runtime() {}
public static Runtime getRuntime() {
return currentRuntime;
}
}
- 通过 Runtime.getRuntime() 获取唯一的
Runtime实例。
Spring Framework
Spring 框架中的单例模式主要用于管理 Bean 的生命周期。
Spring 的默认 Bean 作用域：
- Spring 容器中的 Bean 默认是单例的（
Singleton作用域），即每个 Spring 容器中只有一个实例。
java">@Service
public class UserService {
// UserService 在 Spring 容器中是单例的
}
@Service
@Scope("singleton") // 默认就是单例，可以省略
public class UserService {
}
单例 Bean 的管理：
- Spring 容器通过单例模式确保全局唯一的 Bean 实例，避免重复创建。
- 示例：Spring 的 ApplicationContext 本身就是单例的。
三、总结
单例模式的优点
- 全局唯一访问点
- 单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点，方便其他模块或组件共享该实例。
- 示例：配置管理器、日志记录器等。
- 节省资源
- 对于创建成本高的对象（如数据库连接池、线程池），单例模式可以避免重复创建和销毁，节省系统资源。
- 示例：数据库连接池通常只需要一个实例来管理所有连接。
- 保持一致性
- 单例模式确保全局状态的一致性，避免多个实例导致状态冲突。
- 示例：缓存管理器需要确保缓存数据的一致性。
- 简化设计
- 单例模式可以减少对象创建的复杂性，使代码更简洁。
- 示例：Spring 框架中的单例 Bean 管理。
- 线程安全（某些实现）
- 通过正确的实现（如饿汉式、静态内部类、枚举），单例模式可以保证线程安全。
单例模式的缺点
- 难以扩展
- 单例模式通常通过私有构造函数限制实例化，导致难以扩展或修改。
- 如果需要多个实例或修改单例行为，可能需要重构代码。
- 隐藏依赖
- 单例模式通过全局访问点获取实例，可能导致代码的依赖关系不清晰，增加调试和维护难度。
- 测试困难
- 单例模式的全局状态可能导致单元测试困难，因为测试用例之间可能会相互影响。
- 示例：测试一个依赖单例类的模块时，可能需要重置单例状态。
- 可能滥用
- 单例模式容易被滥用，导致系统中出现大量全局状态，增加代码的耦合性。
- 生命周期管理问题
- 单例模式的生命周期通常与应用程序一致，可能导致资源无法及时释放。
- 示例：单例对象持有数据库连接，可能导致连接无法关闭。
单例模式的适用场景
- 全局唯一对象
- 需要全局唯一的对象时，可以使用单例模式。
- 示例：
- 配置管理器（
ConfigManager）。 - 日志记录器（
Logger）。 - 数据库连接池（
DataSource）。
- 配置管理器（
- 资源密集型对象
- 对于创建成本高的对象，单例模式可以避免重复创建和销毁。
- 示例：
- 线程池（
ThreadPool）。 - 缓存管理器（
CacheManager）。
- 线程池（
- 共享状态管理
- 需要全局共享状态时，可以使用单例模式。
- 示例：
- 计数器（
Counter）。 - 全局锁（
Lock）。
- 计数器（
- 工具类
- 对于无状态的工具类，单例模式可以避免重复创建实例。
- 示例：
- 日期格式化工具（
DateUtils）。 - 字符串处理工具（
StringUtils）。
- 日期格式化工具（
- 框架核心组件
- 在框架中，单例模式常用于管理核心组件。
- 示例：
- Spring 的
ApplicationContext。 - MyBatis 的
SqlSessionFactory。
- Spring 的
