简介
单例模式（Singleton Pattern）指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点，属于创建型设计模式。
单例的核心实现逻辑
单例模式（Singleton）的目的是为了保证在一个进程中，某个类有且仅有一个实例。
因为这个类只有一个实例，因此，自然不能让调用方使用new Xyz()来创建实例了。所以，单例的构造方法必须是private，这样就防止了调用方自己创建实例，但是在类的内部，是可以用一个静态字段来引用唯一创建的实例的。总结起来就三步：
- 只有private构造方法，确保外部无法实例化；
- 通过private static变量持有唯一实例，保证全局唯一性；
- 通过public static方法返回此唯一实例，使外部调用方能获取到实例。
饿汉单例模板
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代码
// 饿汉单例 public class SingletonEager {// 1. 构造方法私有化private SingletonEager() {}// 2. 静态字段引用唯一实例public static SingletonEager INSTANCE = new SingletonEager();// 3. 通过静态方法返回实例public static SingletonEager getInstance() {return INSTANCE;} } -
优点
- 线程安全：由于实例化发生在类加载的时候，而 Java 类加载机制保证了线程安全性，所以不需要加锁机制来保证多个线程访问的安全性。
- 简单：实现起来非常简单，没有复杂的逻辑。
- 没有同步开销：由于实例在类加载时已经创建，因此在获取实例时无需进行同步操作。
- 缺点
- 内存利用率：不论是否需要使用该实例，只要应用程序运行就会占用内存，可能会造成资源浪费。
- 延迟初始化：如果系统中存在大量的单例类，并且这些类在系统运行初期不会马上用到，那么在系统启动阶段就会消耗较多的内存资源。
- 使用场景
- 当你确定这个单例对象在整个应用生命周期中都会频繁使用，并且创建对象的成本不是很高时。
- 在多线程环境中，如果单例对象的创建成本较低，并且需要保证线程安全的情况下使用。
懒汉单例模板
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代码
// 懒汉单例 public class SingletonSimpleLazy {// 1. 构造方法私有化private SingletonSimpleLazy() {}// 2.单例对象，初始为nullprivate static SingletonSimpleLazy instance = null;// 3. 第一次调用getInstance()时才初始化全局唯一实例public static SingletonSimpleLazy getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingletonSimpleLazy();}return instance;} } -
优点
- 延迟加载：只有当第一次调用 getInstance() 方法时才会创建单例对象，从而节省了系统启动时的资源开销。
- 节省内存：如果单例对象很大或者创建成本较高，那么只有在需要时才创建，可以有效减少内存消耗。
- 缺点
- 线程安全问题：如果没有正确处理并发访问的问题，在多线程环境下可能会导致创建多个实例。
- 性能影响：每次调用 getInstance() 都需要检查是否已经创建了实例，这可能会引入额外的性能开销。
- 同步开销：为了保证线程安全，通常会采用同步机制（如 synchronized 关键字），但这会影响性能。
- 使用场景
- 如果单例对象创建成本较高，并且在整个应用生命周期内并不总是会被用到。
- 当需要确保单例模式的线程安全性，并且不介意为此付出一定的性能代价。
双重检查锁定单例模板
- 代码
// 双重检查单例
public class SingletonDoubleCheckLazy {// 1. 构造方法私有化private SingletonDoubleCheckLazy() {}// 2. 单例对象，初始为nullprivate volatile static SingletonDoubleCheckLazy instance = null;// 3. 提供全局访问点public static SingletonDoubleCheckLazy getInstance() {if (instance == null) { // 第一次检查synchronized (SingletonDoubleCheckLazy.class) {if (instance == null) { // 第二次检查instance = new SingletonDoubleCheckLazy();}}}return instance;}
}
- 优点
- 延迟加载：只有在首次请求时创建实例，节省了系统启动时的资源。
- 线程安全：通过同步内部创建逻辑，保证了多线程环境下的安全性。
- 高效：只在必要时进行同步，避免了每次获取实例时都需要同步所带来的性能损失。
- 缺点
- 复杂性：实现相对复杂，需要理解 Java 内存模型和 volatile 关键字的作用。
- 编译器优化问题：早期 JVM 存在指令重排序的问题，可能导致对象创建未完成就返回给调用者。现代 JVM 已经解决了这个问题，但仍需注意 volatile 的正确使用。
- 反序列化问题：如果对象可以被序列化，那么反序列化可能会创建新的实例，破坏单例性质。
- 使用场景
- 当单例对象创建成本较高，并且需要在多线程环境中保持线程安全。
- 当单例对象的创建时机不确定，且创建后需要频繁访问时。
- 在分布式环境中，如果需要全局唯一的单例对象。
枚举单例模板（推荐）
// 枚举单例
public enum SingletonEnum {INSTANCE;private Object data;public Object getData() {return data;}public void setData(Object data) {this.data = data;}public static SingletonEnum getInstance(){return INSTANCE;}
}
- 优点
- 线程安全：枚举类型的单例天生就是线程安全的，不需要额外的同步机制。
- 序列化安全：枚举类型可以自动处理序列化问题，防止反序列化产生新的实例。
- 简洁：实现非常简单，不需要额外的代码来维护单例性。
- 易于理解和维护：枚举类型的单例模式易于理解和维护，因为其逻辑非常直观。
- 缺点
- 功能单一：如果单例类需要提供更多的功能，如配置加载、懒加载等，枚举单例可能不是最佳选择。
- 扩展性有限：枚举类型主要用于定义常量，如果需要扩展单例的功能，可能需要在枚举类型之外添加更多的类或接口。
- 使用场景
- 当你需要一个绝对安全的单例对象，并且不需要额外的懒加载或延迟初始化时。
- 当单例对象不需要复杂的初始化过程，只需简单地提供一些静态方法或属性。
- 在多线程环境中，需要确保单例对象的线程安全性和序列化安全性。
总结
单例模式在现实生活中的应用非常广泛，例如公司CEO、部门经理等都属于单例模型。J2EE标准中的ServletContext和ServletContextConfig、Spring框架应用中的ApplicationContext、数据库中的连接池等也都是单例模式。对于Java来说，单例模式可以保证在一个JVM中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。
（1）需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少GC。
（2）某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。
（3）频繁访问数据库或文件的对象。
（4）对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。