设计模式笔记_创建型_单例模式

1.单例模式介绍

1.1 简介

单例(Singleton)模式是一种创建型设计模式，旨在确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。 这在需要对某个资源进行集中管理或限制其实例化时非常有用，比如日志记录器、配置管理器或者连接池。

可以将Singleton模式类比为一个总统职位。 在一个国家里，通常只能有一个总统，这个职位的独特性意味着不管你在哪里提到总统，都指的是同一个人。 这个职位的管理需要集中化，这样才能确保权力和决策的一致性。

1.1 实现要点:

• 私有构造函数：阻止外部类直接实例化。
• 静态实例：在类内部创建一个静态实例。
• 公共静态方法：提供一个公共的静态方法来获取唯一的实例。

1.2 使用演示

step1. 新建单例类：

/**
 * 实现要点
 * - 私有构造函数：阻止外部类直接实例化。
 * - 静态实例：在类内部创建一个静态实例。
 * - 公共静态方法：提供一个公共的静态方法来获取唯一的实例。
 */
public class Singleton {
    /**
     * 私有静态实例，确保唯一性
     */
    private static Singleton instance;

    /**
     * 私有构造函数，防止外部实例化
     */
    private Singleton() {}

    /**
     * 公共静态方法，提供全局访问点
     *
     * @return Singleton
     */
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    /**
     * 示例方法
     */
    public void showMessage() {
        System.out.println("Hello, I am a Singleton!");
    }

}

step2. 调用单例方法

public class SingletonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取Singleton实例
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();

        // 调用实例方法
        singleton.showMessage();
    }
}

2.单例实现方式

2.1 饿汉式

代码：

public class HungryStyleIdGenerator {
    /**
     * 在类加载的时候，instance静态实例就已经创建并初始化好了
     */
    private static final HungryStyleIdGenerator INSTANCE = new HungryStyleIdGenerator();
    private final AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(0);

    private HungryStyleIdGenerator() {}

    public static HungryStyleIdGenerator getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    public long getId() {
        return atomicLong.incrementAndGet();
    }
}

优点：

• 实现最简单
• 线程绝对安全
• 没有并发性能损耗

缺点：

• 非延迟加载（类加载时立即初始化）
• 可能造成资源浪费

适用场景：

• 实例较小且使用频繁
• 对内存敏感的系统中慎用

2.2 懒汉式

代码：

public class LazyStyleIdGenerator {
    private static LazyStyleIdGenerator INSTANCE;

    private final AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(0);

    private LazyStyleIdGenerator() {}

    /**
     * 方法加了锁，导致这个函数的并发度很低(并发度为1)
     */
    public static synchronized LazyStyleIdGenerator getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new LazyStyleIdGenerator();
        }
        return INSTANCE;
    }

    public long getId() {
        return atomicLong.incrementAndGet();
    }
}

优点：

• 实现简单
• 延迟加载（按需初始化）
• 线程安全

缺点：

• 并发度低
• 代码相对复杂

适用场景：

• 实例创建成本高且使用频率不确定时
• 需要严格控制资源分配的场景

2.3 双重检测

代码：

public class DoubleCheckStyleIdGenerator {
    private static DoubleCheckStyleIdGenerator INSTANCE;

    private final AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(0);

    private DoubleCheckStyleIdGenerator() {}

    /**
     * 只要instance被创建之后，即便再调用getInstance()函数也不会再进入到加锁逻辑中了。所以，这种实现方式解决了懒汉式并发度低的问题。
     */
    public static DoubleCheckStyleIdGenerator getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (DoubleCheckStyleIdGenerator.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new DoubleCheckStyleIdGenerator();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

    public long getId() {
        return atomicLong.incrementAndGet();
    }
}

优点：

• 延迟加载
• 高并发性能好
• 内存占用优化

缺点：

• 实现复杂
• 可读性较差

适用场景：

• 高并发系统中需要延迟加载
• 对性能要求极高的场景

2.4 静态内部类

代码：

/**
 * instance的唯一性、创建过程的线程安全性，都由JVM来保证。
 *
 * Java的类加载机制是线程安全的，具体由JVM保证：
 * - 当多个线程同时尝试访问一个未加载的类时，JVM会确保只由一个线程触发类的初始化，其他线程会等待。
 * - 类的初始化（包括静态代码块和静态变量赋值）是同步的，通过Class对象的锁（monitor）实现。
*/
public class StaticInnerClassStyleIdGenerator {
    private final AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(0);

    private StaticInnerClassStyleIdGenerator() {}

    /**
     * 静态内部类，当外部类 StaticInnerClassStyleIdGenerator 被加载的时候，并不会创建SingletonHolder实例对象。
     * 只有当调用getInstance()方法时，SingletonHolder才会被加载，这个时候才会创建instance。
     */
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerClassStyleIdGenerator INSTANCE = new StaticInnerClassStyleIdGenerator();
    }

    public static StaticInnerClassStyleIdGenerator getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    public long getId() {
        return atomicLong.incrementAndGet();
    }
}

优点：

• 实现简单优雅
• 延迟加载
• 线程安全
• 不需要额外同步代码

缺点：

• JVM类加载机制依赖

适用场景：

• 推荐作为默认实现方式
• 适用于大多数单例需求场景

2.5 枚举

代码：

public enum EnumStyleIdGenerator {
    /**
     * 通过Java枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性
     */
    INSTANCE;

    private final AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(0);

    public long getId() {
        return atomicLong.incrementAndGet();
    }
}

优点：

• 简洁优雅
• 天然线程安全
• 防止反序列化破坏
• 防止反射攻击
• 支持序列化

缺点：

• 不支持延迟初始化
• 不符合传统单例模式结构

适用场景：

• 需要绝对线程安全的场景
• 需要序列化的单例对象
• 项目规范允许使用枚举时

2.6 单例的5种实现方式对比

使用建议：

1. 优先选择：静态内部类实现（兼顾延迟加载和线程安全）
2. 绝对安全：枚举方式（推荐用于金融、安全等关键系统）
3. 特殊需求：
   • 需要延迟初始化 + 高并发 → 双重检测DCL
   • 实例小且高频使用 → 饿汉式
   • 传统项目 → 懒汉式（注意同步）