6.设计模式-SINGLETON（单例）

一、模式定义与核心价值

单例模式是一种创建型设计模式，其核心目标是确保一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点以获取该实例。这一模式在以下场景中尤为重要：

1. 资源控制：管理数据库连接、线程池、日志系统等共享资源，避免资源竞争
2. 状态一致性：确保全局配置、缓存管理等场景中数据的一致性
3. 性能优化：减少频繁创建/销毁高开销对象的系统损耗

核心哲学：通过私有化构造器和静态实例管理，实现对象生命周期的精确控制，在系统全生命周期中保持唯一性。

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二、模式组成与UML类图

核心角色：

1. Singleton（单例类）：

• • 私有构造函数（阻止外部实例化）
  • 静态成员变量（保存唯一实例）
  • 公共静态方法（提供全局访问入口）

1. Client（客户端）：通过getInstance()方法获取单例对象

UML类图：

classDiagram
    class Singleton {
        -static instance: Singleton
        -Singleton()
        +static getInstance(): Singleton
        +otherMethod()
    }

    Singleton --> Singleton : 依赖自身实例
    Client --> Singleton : 通过getInstance()访问

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三、代码实现与变体分析

1. 饿汉式（Eager Initialization）

public class Singleton {
    // 类加载时即初始化实例
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    private Singleton() {} // 私有构造器

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

特点：

• 线程安全（JVM保证类加载过程同步）
• 可能造成资源浪费（未使用时仍占用内存）

2. 懒汉式（Lazy Initialization）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

特点：

• 延迟加载优化内存
• 同步锁导致性能损耗

3. 双重检查锁（Double-Checked Locking）

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

特点：

• 结合延迟加载与线程安全
• volatile关键字防止指令重排序

4. 枚举实现（Enum）

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void execute() {
        // 业务方法
    }
}

特点：

• 天然防止反射攻击与序列化破坏
• 代码简洁，JVM保证单例性

5.静态内部类（Holder Pattern）

public class HolderSingleton {  
    private HolderSingleton() {}  
    private static class Holder {  
        private static final HolderSingleton INSTANCE = new HolderSingleton();  
    }  
    public static HolderSingleton getInstance() {  
        return Holder.INSTANCE;  
    }  
}

优点：

1. 延迟加载且线程安全（JVM保证内部类加载的线程互斥性）
2. 无同步开销，性能优异
3. 适用场景：需兼顾性能与延迟加载的通用场景（推荐首选方案

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四、工业级源码应用

JDBC数据库连接
DriverManager通过静态方法管理数据库驱动，本质是单例思想的延伸

Connection conn = DriverManager.getConnection(url, user, password);

Spring框架
Bean默认单例作用域，通过ApplicationContext统一管理

@Service
public class UserService {
    // 默认单例
}

Android系统服务
LayoutInflater等系统服务通过getSystemService()获取单例

LayoutInflater inflater = (LayoutInflater) context.getSystemService(LAYOUT_INFLATER_SERVICE);

智能合约开发
区块链中的全局配置合约通过注册表模式实现单例特性

contract SingletonRegistry {
    mapping(bytes32 => address) private instances;
    function getSingleton(bytes32 key) public view returns (address) {
        return instances[key];
    }
}

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五、模式优劣与适用场景

优势：

• 内存优化：减少重复对象的内存占用
• 行为可控：统一管理共享资源访问
• 全局访问：简化跨组件调用流程

劣势：

• 违背单一职责原则（同时管理创建与业务）
• 单元测试困难（难以模拟替代实例）
• 多线程环境下需谨慎处理同步问题

适用场景：

1. 需要严格管控资源访问（如数据库连接池）
2. 全局配置管理（如系统参数、主题设置）
3. 高频使用的工具类（如日志处理器）
4. 跨组件状态共享（如购物车、用户会话）

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六、设计决策建议

1. 线程安全优先：优先选择枚举或饿汉式实现
2. 延迟加载权衡：高并发场景推荐双重检查锁
3. 防御性编程：防止反射攻击（通过构造函数抛出异常）
4. 框架集成：结合Spring的@Scope("singleton")注解管理生命周期9

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总结

单例模式通过实例唯一性与全局访问点的设计哲学，成为管理共享资源的利器。在Java生态中，该模式已深度融入JDK、Spring等主流框架，并在区块链等新兴领域展现独特价值。开发者需根据具体场景选择合适实现，警惕多线程陷阱，方能充分发挥其设计优势。