【设计模式】-单例模式

简介

单例模式是一种创建型设计模式，确保某个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。
在单例模式中，类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一对象的方式，允许直接访问而无需每次实例化该类的新对象。

主要场景

单例模式的主要应用场景包括：

  • 需要频繁实例化然后销毁的对象。
  • 创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。
  • 有状态的工具类对象。
  • 频繁访问数据库或文件的对象。

通过应用单例模式，我们可以控制实例的数量，节省系统资源，同时加快对象访问速度，尤其适合对象需要被公用的场合，例如多个模块使用同一个数据源连接对象等。

实现机制

实现单例模式的关键在于确保只有一个实例被创建，并提供一个全局访问点。这通常通过以下方式实现：

  • 将构造函数设为私有，以防止其他类通过new操作符创建该类的实例。
  • 在类内部创建一个静态的私有实例。
  • 提供一个静态的公有方法，用于返回该类的唯一实例。如果该实例尚未创建，则通过调用私有构造函数来创建它；如果实例已经存在，则直接返回该实例。

注意多线程

需要注意的是，在多线程环境下，需要确保单例模式的线程安全性，以避免出现多个实例的情况。
单例模式确保线程安全的关键在于确保在多线程环境下，类的唯一实例能够被正确地创建和访问，而不会出现多个实例或者创建过程中的竞争条件。以下是一些常见的线程安全的单例模式实现方式：

饿汉式（静态初始化）：

这种方式是最简单的线程安全的实现方式。因为静态初始化器由JVM在加载类时执行，且JVM保证类的加载过程是线程安全的，所以在多线程环境下，这种方式创建的实例也是线程安全的。

public class Singleton {// 在加载时就完成了初始化，所以类加载较慢，但获取对象的速度快private static Singleton instance = new Singleton();private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

双重检查锁定（Double-Checked Locking）：

双重检查锁定是一种优化技术，旨在减少使用同步的开销。它首先检查实例是否已经存在，如果不存在才进行同步。但是，在Java中，双重检查锁定需要正确地使用volatile关键字来确保可见性和禁止指令重排

 public class Singleton {  // volatile 保证多线程正确处理 instance 的可见性和禁止指令重排  private volatile static Singleton instance;  private Singleton() {}  public static Singleton getInstance() {  if (instance == null) {  synchronized (Singleton.class) {  if (instance == null) {  instance = new Singleton();  }  }  }  return instance;  }  
}

在Java 5及以上版本中，双重检查锁定是可行的，但务必注意volatile关键字的正确使用。

静态内部类：

静态内部类实现单例模式的方式也是线程安全的。由于JVM的类加载机制保证了静态内部类只会被加载一次，从而保证了线程安全性。

public class Singleton {private Singleton() {}// 使用静态内部类来创建单例，也是线程安全的private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}public static Singleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

枚举：

在Java中，枚举类型是线程安全的，并且能防止反序列化重新创建新的对象，所以使用枚举实现单例模式也是线程安全的最佳实践。

public enum Singleton {INSTANCE;public void whateverMethod() {// method body}
}

通过枚举实现单例模式不仅简单，而且自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象。

初始化时同步（Initialization on Demand Holder, IODH）：

这种方式结合了饿汉式和双重检查锁定的思想，但在实现上更为复杂，且在某些JVM上可能并不是线程安全的。因此，它不如上面提到的方法常用。

在选择单例模式的实现方式时，应该考虑代码的简洁性、性能需求以及线程安全性。通常情况下，使用枚举或静态内部类实现单例模式是比较推荐的方式，因为它们不仅线程安全，而且实现简单，易于理解。

实际例子

日志系统

假设我们正在开发一个日志记录系统，我们想要确保整个应用程序中只有一个日志记录器实例，这样我们就可以保持日志的一致性和管理方便。

public class Logger {// 私有构造方法，防止外部通过new创建实例private Logger() {// 初始化代码System.out.println("Logger is being initialized...");}// 静态内部类，持有单例的引用private static class LoggerHolder {// 静态初始化器，保证线程安全private static final Logger INSTANCE = new Logger();}// 获取单例的公共静态方法public static Logger getInstance() {// 返回LoggerHolder中持有的单例引用return LoggerHolder.INSTANCE;}// 日志记录方法public void log(String message) {System.out.println("[" + System.currentTimeMillis() + "] " + message);}// 示例：使用单例模式的Logger类public static void main(String[] args) {// 获取Logger单例Logger logger = Logger.getInstance();// 使用Logger实例记录日志logger.log("This is a log message.");// 尝试再次获取Logger实例，应该是同一个Logger anotherLogger = Logger.getInstance();// 验证两个引用是否指向同一对象System.out.println("Are loggers the same? " + (logger == anotherLogger));}
}

数据库连接池

我们手撸一个最简单的数据库连接池，保证在并发情况下的单例访问。

import java.sql.Connection;  
import java.sql.DriverManager;  
import java.sql.SQLException;  
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;  public class ConnectionPoolManager {  // 静态变量持有单例引用  private static ConnectionPoolManager instance;  // 数据库连接池  private final ConcurrentHashMap<String, Connection> pool;  // 初始化连接池的大小  private static final int MAX_CONNECTIONS = 10;  // 当前已分配的连接数  private int currentConnections = 0;  // 数据库连接信息  private static final String DB_URL = "jdbc:mysql://localhost:3306/mydb";  private static final String DB_USER = "username";  private static final String DB_PASSWORD = "password";  // 私有构造方法，防止外部通过new创建实例  private ConnectionPoolManager() {  this.pool = new ConcurrentHashMap<>();  // 初始化连接池，预先创建一些连接  for (int i = 0; i < MAX_CONNECTIONS; i++) {  try {  Connection connection = DriverManager.getConnection(DB_URL, DB_USER, DB_PASSWORD);  pool.put("connection" + i, connection);  } catch (SQLException e) {  e.printStackTrace();  }  }  }  // 从连接池中获取一个连接  public synchronized Connection getConnection() {  if (currentConnections < MAX_CONNECTIONS) {  // 尝试从连接池中获取一个连接  for (String key : pool.keySet()) {  Connection connection = pool.get(key);  if (connection != null && !connection.isClosed()) {  pool.remove(key); // 从连接池中移除，表示该连接已被使用  currentConnections++;  return connection;  }  }  // 如果连接池中没有可用连接，则创建新连接（此处简化处理，实际应检查是否超过最大连接数）  try {  Connection connection = DriverManager.getConnection(DB_URL, DB_USER, DB_PASSWORD);  currentConnections++;  return connection;  } catch (SQLException e) {  e.printStackTrace();  }  }  return null; // 如果没有可用连接，返回null  }  // 回收一个连接到连接池  public synchronized void releaseConnection(Connection connection) {  if (connection != null && !connection.isClosed()) {  pool.put("connection" + (MAX_CONNECTIONS - currentConnections), connection);  currentConnections--;  }  }  // 获取单例的公共静态方法，使用双重检查锁定确保线程安全  public static ConnectionPoolManager getInstance() {  if (instance == null) {  synchronized (ConnectionPoolManager.class) {  if (instance == null) {  instance = new ConnectionPoolManager();  }  }  }  return instance;  }  // 示例：使用单例模式的ConnectionPoolManager类  public static void main(String[] args) {  // 获取连接池管理器单例  ConnectionPoolManager connectionPoolManager = ConnectionPoolManager.getInstance();  // 从连接池获取一个连接  Connection connection = connectionPoolManager.getConnection();  if (connection != null) {  // 使用连接执行数据库操作...  System.out.println("Got a connection from the pool.");  // 假设使用完连接后释放回连接池  connectionPoolManager.releaseConnection(connection);  System.out.println("Released the connection back to the pool.");  } else {  System.out.println("No connections available in the pool.");  }  }  
}

在这个例子中，ConnectionPoolManager 类负责管理一个数据库连接池。它使用了 ConcurrentHashMap 来存储连接，以便能够高效地处理并发请求。getConnection 方法尝试从连接池中获取一个可用连接，如果没有可用连接则尝试创建一个新连接（这里简化了处理逻辑，实际中可能需要考虑连接数是否已经达到最大值）。releaseConnection 方法则将使用完毕的连接回收回连接池。

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