单例模式是一种常见的软件设计模式，它确保一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个唯一实例。这种模式在需要控制资源访问，如数据库连接、配置文件读取、线程池等场景中非常有用。
1. 单例模式的实现方式
单例模式的实现方式有多种，每种方式都有其特点和适用场景。常见的实现方式包括懒汉式（线程不安全、线程安全）、饿汉式、双重检查锁定（Double-Checked Locking）、静态内部类、枚举等。
1.1 懒汉式（线程不安全）
懒汉式实现方式在类内部声明类的一个静态对象，通过一个静态方法返回这个对象。但是，这种方式在多线程环境下是不安全的，可能会创建多个实例。
public class SingletonLazyUnsafe { private static SingletonLazyUnsafe instance; private SingletonLazyUnsafe() {} public static SingletonLazyUnsafe getInstance() { if (instance == null) { instance = new SingletonLazyUnsafe(); } return instance; }
}
1.2 懒汉式（线程安全）
为了解决懒汉式在多线程环境下的线程安全问题，可以通过在getInstance()方法上添加synchronized关键字来实现，但这会导致每次调用getInstance()时都进行同步，影响性能。
public class SingletonLazySafe { private static SingletonLazySafe instance; private SingletonLazySafe() {} public static synchronized SingletonLazySafe getInstance() { if (instance == null) { instance = new SingletonLazySafe(); } return instance; }
}
1.3 双重检查锁定（Double-Checked Locking）
双重检查锁定是一种改进的实现方式，它只在第一次实例化对象时进行同步，之后就不需要再同步了，从而提高了效率。
public class SingletonDoubleChecked { // 使用 volatile 关键字防止指令重排序 private static volatile SingletonDoubleChecked instance; private SingletonDoubleChecked() {} public static SingletonDoubleChecked getInstance() { if (instance == null) { synchronized (SingletonDoubleChecked.class) { if (instance == null) { instance = new SingletonDoubleChecked(); } } } return instance; }
}
注意：这里使用了volatile关键字来确保instance变量的可见性和防止指令重排序，这是双重检查锁定实现中非常重要的一步。
1.4 饿汉式
饿汉式实现方式在类加载时就完成了初始化，所以它是线程安全的。但这种方式也存在缺点，即无论是否需要使用实例，它都会被创建。
public class SingletonEager { private static final SingletonEager instance = new SingletonEager(); private SingletonEager() {} public static SingletonEager getInstance() { return instance; }
}
1.5 静态内部类
静态内部类实现方式利用了类加载机制来保证单例的唯一性，同时避免了多线程同步问题。这种方式既实现了延迟加载，又保证了线程安全。
public class SingletonStaticInnerClass { private SingletonStaticInnerClass() {} private static class SingletonHolder { private static final SingletonStaticInnerClass INSTANCE = new SingletonStaticInnerClass(); } public static final SingletonStaticInnerClass getInstance() { return SingletonHolder.INSTANCE; }
}
1.6 枚举
枚举方式是单例实现中最简单、最安全的方式。它自动支持序列化机制，防止多次实例化，即使在面对复杂的序列化或反射攻击时也能保持单例。
public enum SingletonEnum { INSTANCE; public void whateverMethod() { }
}
2. 单例模式的使用场景
单例模式适用于以下场景：
全局唯一访问点：
当需要全局访问一个对象，且这个对象在整个应用中只有一个实例时，如配置文件的读取、全局数据库连接等。
控制资源访问：
当需要控制对共享资源的访问时，如线程池、缓存等。
状态共享：
当需要跨多个对象或线程共享某些状态时，可以使用单例模式来封装这些状态。
3. 单例模式的优缺点
优点
节省内存：由于单例模式只创建一个实例，因此可以节省系统资源，避免频繁创建和销毁对象所带来的性能开销。
提高性能：通过共享资源，可以减少数据库连接、文件IO等操作的次数，从而提高应用的性能。
易于管理：单例模式提供了全局访问点，便于对实例进行管理和维护。
缺点
扩展性差：单例模式限制了类的实例化，不利于类的扩展和继承。
测试困难：在单元测试中，单例模式可能会带来一些测试上的困难，因为它在全局范围内只有一个实例。
滥用风险：如果不恰当地使用单例模式，可能会导致程序结构混乱，降低代码的可读性和可维护性。
4. 实际应用中的注意事项
线程安全：
在多线程环境下，需要确保单例模式的实现是线程安全的。
延迟加载：
对于懒加载的单例模式，需要确保在真正需要时才创建实例，避免不必要的资源消耗。
避免滥用：
不要为了省事而滥用单例模式，应该根据实际需求来选择是否使用单例模式。
序列化问题：
如果单例对象需要被序列化，则必须考虑序列化后的对象如何保持单例性。可以通过在序列化时读取readObject方法来保证只创建一个实例。
反射和克隆问题：
通过反射和克隆机制也可以绕过单例模式的限制创建多个实例，因此需要在必要时进行防范。
5. 总结
单例模式是一种简单而强大的设计模式，它通过确保一个类只有一个实例来简化对共享资源的访问和管理。在实际应用中，我们应该根据具体需求和场景来选择合适的单例实现方式，并注意解决线程安全、延迟加载、序列化等问题。同时，也要避免滥用单例模式，保持代码的清晰和可维护性。