单例模式 (Singleton Pattern)

单例模式 (Singleton Pattern)

单例模式是一种创建型设计模式，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。这种模式常用于需要控制资源访问的场景，如数据库连接、日志记录器或配置管理器。

设计意图

单例模式的核心目标是：

• 保证一个类仅有一个实例
• 提供该实例的全局访问点
• 控制实例化过程（通常延迟初始化）

实现方式

基础实现（非线程安全）

最简单的单例实现方式如下，但仅适用于单线程环境：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    // 私有构造函数防止外部实例化
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

问题：多线程环境下可能创建多个实例。

线程安全实现

方法1：同步方法

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

缺点：每次获取实例都需要同步，性能较差。

方法2：双重检查锁定

更高效的线程安全实现：

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

关键点：

• volatile 防止指令重排序
• 双重检查减少同步开销

方法3：静态内部类

利用类加载机制保证线程安全：

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

优点：线程安全且实现简洁，延迟初始化。

方法4：枚举实现

Java最佳实践方式：

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    
    public void doSomething() {
        // 实例方法
    }
}

优势：

• 绝对防止多次实例化
• 自动支持序列化
• 线程安全

类图

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

实际应用场景

案例1：数据库连接池

大多数应用只需要一个数据库连接池实例来管理所有数据库连接：

public class DatabasePool {
    private static DatabasePool instance;
    private List<Connection> connections;
    
    private DatabasePool() {
        // 初始化连接池
    }
    
    public static synchronized DatabasePool getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new DatabasePool();
        }
        return instance;
    }
    
    public Connection getConnection() {
        // 获取连接逻辑
    }
}

案例2：应用配置管理

全局配置只需要加载一次：

class AppConfig:
    _instance = None
    
    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
            cls._instance.load_config()
        return cls._instance
    
    def load_config(self):
        # 从文件加载配置
        pass

优缺点分析

优点	缺点
控制实例数量，节约系统资源	违反单一职责原则（同时控制实例化和业务逻辑）
全局访问点方便管理	难以扩展（通常不允许子类化）
延迟初始化优化性能	多线程环境需要特殊处理
避免全局变量污染命名空间	单元测试困难（难以模拟替换）

数学原理

单例模式可以看作是对集合基数的约束：

$|S|\le 1$

其中$S$是实例集合。当实现完全正确时：

$|S|=1$

常见问题

如何防止反射攻击？

在构造函数中添加检查：

private Singleton() {
    if (instance != null) {
        throw new IllegalStateException("Already initialized");
    }
}

如何防止反序列化创建新实例？

实现readResolve()方法：

protected Object readResolve() {
    return getInstance();
}

何时应该使用单例？

• 当系统需要且只需要一个实例时
• 当需要严格控制全局访问点时
• 当实例需要延迟初始化时

替代方案

对于需要灵活控制实例数量的场景，可以考虑：

• 依赖注入容器
• 静态工具类（无状态时）
• 工厂模式控制实例化

总结

单例模式是设计模式中最简单但实现最微妙的一种。正确实现需要考虑线程安全、序列化、反射等问题。在Java中，枚举实现是最安全的方式；其他语言也都有各自的实现最佳实践。使用时需权衡其便利性与对代码可测试性的影响。