设计模式- 单例模式（Singleton）结构|实现方式|优缺点|场景

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单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，其目标是在整个应用程序中确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。这种模式常用于那些需要严格控制全局唯一且共享访问点的场景，如数据库连接池、缓存管理器、日志记录器等。单例模式的核心特性包括：

• 唯一性：确保一个类仅有一个实例。
• 全局访问：提供一个全局访问点，使得任何地方都可以访问到这个唯一的实例。

模式结构

单例模式通常包含以下组成部分：

1. 单例类：包含了创建并返回唯一实例的私有构造方法、保存唯一实例的私有静态变量，以及一个公有的静态方法（通常称为getInstance()）来获取这个唯一实例。

实现方式

单例模式有多种实现方式，常见的有两种：

饿汉式（Eager Initialization）

• 特点：类加载时立即初始化单例实例，线程安全，但可能导致资源浪费（如果单例在整个程序生命周期中并未被使用）。

1public class Singleton {
2    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
3
4    private Singleton() {} // 私有构造方法防止外部直接实例化
5
6    public static Singleton getInstance() {
7        return INSTANCE;
8    }
9}

懒汉式（Lazy Initialization）

• 特点：首次访问时才初始化单例实例，延迟加载，节省资源。为了保证线程安全，通常需要同步访问或使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）。

1public class Singleton {
2    private static volatile Singleton instance;
3
4    private Singleton() {} // 私有构造方法防止外部直接实例化
5
6    public static synchronized Singleton getInstance() {
7        if (instance == null) {
8            instance = new Singleton();
9        }
10        return instance;
11    }
12}

使用双重检查锁定优化的懒汉式单例：

1public class Singleton {
2    private static volatile Singleton instance;
3
4    private Singleton() {} // 私有构造方法防止外部直接实例化
5
6    public static Singleton getInstance() {
7        if (instance == null) {
8            synchronized (Singleton.class) {
9                if (instance == null) {
10                    instance = new Singleton();
11                }
12            }
13        }
14        return instance;
15    }
16}

优缺点

优点

• 资源利用率：对于需要消耗大量资源的单例，懒汉式单例可以在真正需要时才初始化，避免资源浪费。
• 全局唯一：确保整个应用程序中单例类的实例只有一个，有利于资源的协调与共享。
• 控制全局状态：对于需要全局统一控制状态或行为的对象，单例模式可以提供一个集中的访问点。

缺点

• 灵活性受限：单例模式不利于代码的测试，特别是依赖于单例类的代码。在单元测试中，往往需要模拟不同的单例对象，而单例模式的单一实例特性对此造成了阻碍。
• 扩展困难：如果需要支持多个实例，或者需要实例化的时机有变化，单例模式难以应对。
• 并发问题：懒汉式单例如果不正确地实现线程安全性，可能导致多个实例被创建。在多线程环境下，需要仔细设计和实现以确保单例的正确性。

适用场景

• 需要频繁实例化然后销毁的对象：如线程池、数据库连接池等，通过单例模式可以减少频繁创建和销毁对象带来的性能开销。
• 需要严格控制全局状态的对象：如日志记录器、缓存、设备驱动等，通过单例模式可以确保整个系统中这些对象的状态一致。
• 需要保证数据共享与一致性：如配置文件读取、应用程序计数器等，通过单例模式可以避免数据的不一致性和重复加载。

总之，单例模式在需要控制对象实例数量为一、提供全局访问点且确保资源有效利用的场景中非常有用。但在设计时需要注意其对测试、扩展性和并发安全的影响，合理权衡使用。