类图+案例+代码详解:软件设计模式----单例模式

发布于:2025-07-08 ⋅ 阅读:(13) ⋅ 点赞:(0)

6、单例模式

指确保一个类仅有一个唯一的实例,并提供一个全局访问点。

所以把构造方法进行私有化,声明为 private 类型;同时提供一个获得实例的方法 getInstance() ,为public类型,并且是static,用于返回该类的实例。

请添加图片描述
核心思想:全世界只能有一个我 —— 保证类永远只有一个对象

比如:

  • 银行的 ATM 机系统,只能有一个 “总控中心” 管理所有机器
  • 电脑的 “任务管理器”,无论点多少次打开,永远只弹出同一个窗口
  • 单例模式就是让类具备 “全球唯一” 的特性

用生活案例拆解核心逻辑:
为什么需要单例?
避免资源浪费:比如打印机驱动只需要加载一次
保证数据统一:比如全局配置类只能有一个实例存储参数

如何实现 “唯一”?
第一步:把构造方法设为private(不让别人随便 new)
第二步:自己在类里创建唯一的实例
第三步:提供一个公共方法让别人获取这个实例

代码示例

public class President {
    // 静态单例实例,类加载时初始化,保证唯一
    private static President instance; 
    private String name;

    // 私有构造方法,防止外部直接实例化
    private President(String name) { 
        this.name = name;
    }

    // 静态工厂方法,提供获取单例实例的途径
    public static President getInstance(String name) { 
        // 检查实例是否未创建,且传入的名称不为 null
        if (instance == null && name != null) { 
            // 创建单例实例,传入名称参数
            instance = new President(name); 
        }
        // 返回单例实例,若未满足创建条件,可能返回 null
        return instance; 
    }

}

多线程下的单例模式

给 “唯一实例” 加把 “线程安全” 的锁

为什么多线程需要特殊的单例?
想象两个用户同时抢最后 1 张演唱会门票,如果单例模式没考虑多线程,可能出现:
1.用户 A 检查到 “剩余票数 = 1”,准备购买
2.用户 B 同时检查到 “剩余票数 = 1”,也准备购买
3.最终两人都买到票,但实际库存只扣了 1 张 —— 这就是线程安全问题

3 种多线程单例实现:从简单到高效

1. 最直接的方案:synchronized 锁整个方法
使用同步机制,将 getInstance() 方法声明为static synchronized类型的。限定了每个执行该方法的线程必须彻底执行完以后,才能允许第二个线程执行该方法,从而确保了所创建对象的唯一性。

public class SynchronizedSingleton {
    private static SynchronizedSingleton instance;
    
    private SynchronizedSingleton() {}
    
    // 给获取实例的方法加锁,保证同一时间只有一个线程能进入
    public static synchronized SynchronizedSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SynchronizedSingleton();
        }
        return instance;
    }
}

缺点:锁范围太大,每次调用getInstance()都要排队,效率低

2. 优化版:双重检查锁定(DCL)

public class DoubleCheckSingleton {
    private static volatile DoubleCheckSingleton instance;  // 关键:volatile防止指令重排
    
    private DoubleCheckSingleton() {}
    
    public static DoubleCheckSingleton getInstance() {
        // 第一次检查:实例存在则直接返回,避免无意义加锁
        if (instance == null) {
            synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {  // 锁类对象,范围更小
                // 第二次检查:可能有多个线程同时通过第一次检查,需再次确认
                if (instance == null) {
                    instance = new DoubleCheckSingleton();
                    // 这里可能发生"指令重排",volatile禁止重排
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

核心技巧

  • 双重检查:先判断是否为空,避免每次都加锁
  • volatile 关键字:防止 JVM 优化时指令重排,避免返回未初始化的实例

为什么 DCL 需要 volatile?一个危险的例子:

假设没有volatile,JVM 可能对instance = new DoubleCheckSingleton();做如下优化:

  1. 分配内存空间
  2. 先赋值引用(instance 指向未初始化的对象)
  3. 执行构造方法初始化对象

如果线程 A 执行到步骤 2 时,线程 B 刚好调用getInstance()

  • 线程 B 发现instance != null,直接返回未初始化的对象
  • 此时访问instance会导致空指针异常或数据错误

3. 终极方案:静态内部类(推荐)

public class InnerClassSingleton {
    private InnerClassSingleton() {}
    
    // 静态内部类只有在被调用时才会加载,天然线程安全
    private static class SingletonHolder {
        private static final InnerClassSingleton INSTANCE = new InnerClassSingleton();
    }
    
    // 调用时才会触发SingletonHolder的加载,实现延迟初始化
    public static InnerClassSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

原理

  • Java 类加载机制保证:静态内部类的初始化是线程安全的
  • 只有当getInstance()被调用时,SingletonHolder才会加载并创建实例