1. 引言
1.1 什么是单例模式？
单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
核心思想：控制实例化过程，避免重复创建对象。
1.2 为什么需要单例模式？
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节省资源：某些对象（如数据库连接池、日志管理器）只需要一个实例。
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全局访问：方便在多个模块中共享数据。
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避免冲突：如配置文件管理，防止多个实例修改导致不一致。
1.3 线程安全的重要性
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多线程环境下，如果不加控制，可能导致：
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创建多个实例（违反单例原则）。
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对象状态不一致（如缓存数据被覆盖）。
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目标：确保在任何情况下，单例类只被初始化一次。
2. 单例模式的实现方式
2.1 饿汉式（Eager Initialization）
代码实现
public class Singleton {// 类加载时就初始化（线程安全由JVM保证）private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();// 私有构造方法，防止外部newprivate Singleton() {}// 全局访问点public static Singleton getInstance() {return INSTANCE;}
}特点
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优点：
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实现简单，线程安全（由类加载机制保证）。
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没有锁，性能高。
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缺点：
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即使不用也会创建实例，可能浪费内存。
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无法传递参数初始化（如需要动态配置）。
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适用场景
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实例占用内存小，且一定会被使用（如简单配置类）。
2.2 懒汉式（Lazy Initialization）
基础版（非线程安全）
public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton(); // 多线程下可能创建多个实例}return instance;}
}问题：多线程环境下，多个线程可能同时进入 if (instance == null)，导致多次实例化。
加锁版（线程安全但低效）
public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}// 方法加锁，保证线程安全public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}问题：每次调用 getInstance() 都会加锁，性能差（99%的情况不需要同步）。
2.3 双重检查锁（Double-Checked Locking, DCL）
代码实现
public class Singleton {// volatile 禁止指令重排序，避免半初始化问题private static volatile Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) { // 第一次检查（无锁，提高性能）synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) { // 第二次检查（防止多线程竞争）instance = new Singleton();}}}return instance;}
}关键点
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volatile的作用：-
防止指令重排序（避免返回未初始化的对象）。
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保证可见性（一个线程修改后，其他线程立即可见）。
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两次判空：
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第一次检查（无锁）：提高性能，避免每次加锁。
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第二次检查（加锁）：防止多线程竞争导致多次实例化。
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优点
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线程安全 + 高性能（只有第一次初始化需要同步）。
缺点
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代码稍复杂，需理解
volatile和指令重排序。
2.4 静态内部类（Holder Class）
代码实现
public class Singleton {private Singleton() {}// 静态内部类（延迟加载）private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}public static Singleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE; // 调用时才加载}
}原理
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类加载机制：
SingletonHolder只有在getInstance()被调用时才会加载。 -
线程安全：由 JVM 保证静态内部类的初始化是线程安全的。
优点
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线程安全 + 延迟加载 + 无锁高性能。
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比双重检查锁更简洁。
缺点
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无法传递参数初始化（适合无参构造）。
2.5 枚举（Enum Singleton）
代码实现
public enum Singleton {INSTANCE; // 单例实例public void doSomething() {System.out.println("Singleton method");}
}原理
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JVM 保证枚举唯一性：枚举实例在类加载时初始化，且不可反射创建。
优点
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绝对线程安全（JVM 保证）。
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防止反射攻击（无法通过反射创建新实例）。
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防止反序列化破坏（枚举天然支持
readResolve）。
缺点
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不能延迟加载（类加载时就初始化）。
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写法稍特殊（部分开发者不习惯）。
3. 如何选择单例模式？
| 实现方式 | 线程安全 | 延迟加载 | 防止反射 | 防止反序列化 | 性能 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 饿汉式 | ✅ | ❌ | ❌ | ❌ | ⭐⭐⭐ | 简单场景 |
| 懒汉式（同步） | ✅ | ✅ | ❌ | ❌ | ⭐ | 不推荐 |
| 双重检查锁 | ✅ | ✅ | ❌ | ❌ | ⭐⭐⭐ | 高并发 |
| 静态内部类 | ✅ | ✅ | ❌ | ❌ | ⭐⭐⭐ | 推荐 |
| 枚举 | ✅ | ❌ | ✅ | ✅ | ⭐⭐⭐ | 最佳实践 |
推荐选择：
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简单场景 → 饿汉式。
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需要延迟加载 → 静态内部类。
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高并发 + 参数初始化 → 双重检查锁。
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最佳实践 → 枚举单例（安全、简洁）。
4. 单例模式的破坏与防御
4.1 反射攻击
问题
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
// 反射调用私有构造方法
Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
Singleton instance2 = constructor.newInstance(); // 破坏单例防御（非枚举类）
private Singleton() {if (INSTANCE != null) {throw new RuntimeException("Use getInstance() method!");}
}枚举天然防御反射（JVM 保证唯一性）。
4.2 反序列化破坏
问题
// 序列化
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton.ser"));
oos.writeObject(Singleton.getInstance());
// 反序列化（会调用readObject，可能创建新实例）
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("singleton.ser"));
Singleton instance2 = (Singleton) ois.readObject(); // 可能破坏单例防御（非枚举类）
// 添加readResolve方法，返回单例实例
protected Object readResolve() {return getInstance();
}枚举天然防御反序列化（JVM 保证唯一性）。
5. 总结
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线程安全是关键：多线程环境下必须保证单例唯一。
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推荐实现：
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枚举单例（简洁、安全、防反射）。
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静态内部类（延迟加载、高性能）。
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双重检查锁（适合需要参数初始化的场景）。
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避免：
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不加锁的懒汉式（线程不安全）。
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方法级同步懒汉式（性能差）。
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