单例模式详解：确保类只有一个实例

"09 第9章 单例模式 - 设计模式" 在软件开发中，单例模式是一种常见的设计模式，它旨在控制类的实例化过程，确保一个类在整个系统运行期间只有一个实例存在。这一模式由模式动机、定义、结构、分析、实例解析、效果与应用以及模式扩展组成。 **模式动机** 单例模式的主要动机在于管理和控制资源的唯一性。例如，系统可能需要一个唯一的窗口管理器、文件系统、计时工具或者ID生成器。这样的类如果被多次实例化，可能会导致资源浪费、状态冲突或其他不可预见的问题。 **模式定义** 单例模式的定义是：它确保一个类只有一个实例，并且这个实例由类自身来创建和维护，同时提供一个全局访问点供其他部分的代码获取这个唯一的实例。这个模式是对象创建型模式的一种，其核心在于限制类的实例化次数，并保证全局只有一个可用的实例。 **模式结构** 单例模式通常包含以下角色： - **Singleton（单例）**：这是模式的核心，它包含一个私有的构造函数以防止外部直接创建实例，同时提供一个静态的公共方法`getInstance()`用于返回（并可能是创建）这个唯一的实例。 **模式实现** 典型的单例模式实现通常采用懒汉式或饿汉式。懒汉式是在第一次调用`getInstance()`时才创建实例，而饿汉式则是在类加载时就创建了实例。 ```java public class Singleton { private static Singleton instance; // 静态私有实例 // 私有构造函数 private Singleton() {} // 静态公共方法，提供全局访问点 public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { // 懒汉式，线程不安全 instance = new Singleton(); } return instance; } } ``` **模式分析** 为了实现线程安全，懒汉式通常需要配合同步机制，如`synchronized`关键字，但这会降低性能。因此，有一种双重检查锁定（Double-Checked Locking）的优化方式来平衡线程安全和性能： ```java public class Singleton { private volatile static Singleton instance; // 使用volatile保证可见性和有序性 private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; } } ``` **模式效果与应用** 单例模式的应用广泛，包括但不限于： - 控制对共享资源的访问，如日志记录器、缓存、线程池等。 - 当创建一个对象需要消耗大量资源时，如数据库连接，使用单例模式可减少资源的开销。 - 提供系统级别的配置对象，确保配置在整个系统中的统一。 **模式扩展** 除了基础的单例模式，还可以根据需求进行扩展，如枚举单例，它在Java中提供了线程安全且防止反射攻击的解决方案： ```java public enum Singleton { INSTANCE; public void someMethod() { // ... } } ``` 单例模式是一种实用的设计模式，它有助于管理资源，提供全局访问点，以及在系统中确保类的实例唯一性。然而，过度使用单例也可能导致设计过于紧密耦合，使得测试和维护变得困难。因此，需谨慎使用并考虑其适用场景。