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。

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