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单例模式Singleton Pattern是一种常用的软件设计模式用于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。单例模式主要用于控制对某个资源或服务的访问确保整个系统中只有一个对象实例负责这些操作。
单例模式的关键特点包括
单一实例 该模式确保一个类只有一个实例存在。通常通过隐藏该类的构造函数并提供一个静态方法来创建和获取这个唯一实例。 全局访问点 单例类提供了一个全局访问点通过这个访问点可以访问唯一实例。这通常是一个静态方法例如 getInstance()。 自我实例化 单例类负责创建自己的唯一实例并确保没有其他实例被创建。 延迟初始化可选 在单例模式中实例通常在首次使用时创建这称为延迟初始化。这有助于减少资源的浪费和提高性能。
解决的问题
控制实例创建 确保一个类只有一个实例被创建。这对于控制资源的使用非常重要尤其是当对象的创建和管理需要消耗大量资源时如访问共享资源或共享服务。 全局访问点 提供一个全局访问点以访问该类的唯一实例。这意味着从系统的任何地方都可以访问这个实例而不需要重新创建或通过特定对象传递。 替代全局变量 单例模式提供了一种更好的方式来创建和管理全局对象避免了使用全局变量所带来的潜在风险和复杂性。 共享资源或状态管理 当多个对象需要共享同一资源或状态时例如配置信息、缓存、数据库连接池等单例模式可以确保所有对象都使用相同的实例从而实现有效的资源共享和管理。 控制并发访问 在多线程环境中单例模式可以被用来控制对共享资源的并发访问确保在任何时刻只有一个实例管理着资源减少资源冲突的可能性。
使用场景
资源共享 当系统中的不同组件需要共享相同的资源或服务时如数据库连接池、日志记录、配置管理等。单例模式确保这些组件都访问同一个实例从而实现资源的有效共享。 全局状态或配置 当需要在应用程序的不同部分之间共享全局状态或配置信息时。例如应用程序的配置设置通常在多个地方被使用单例模式可以提供一个统一的接口来访问这些设置。 控制资源访问 对于需要严格控制客户端如何以及何时访问某个资源的场景。单例模式可以确保对资源的访问在整个应用程序中是同步的从而避免资源冲突和数据不一致。 日志记录 日志记录通常在整个应用程序中是统一的操作。使用单例模式可以确保全局只有一个日志记录器在运行从而保持日志记录的一致性。 硬件接口访问 当访问硬件资源时如打印机或文件系统通常需要确保全局只有一个实例负责与硬件的交互避免可能的资源冲突。 性能优化 在创建对象特别消耗资源的情况下单例模式可以减少内存开销和性能开销因为它避免了重复创建和销毁同一对象。
示例代码
1. 懒汉式线程不安全
public class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance;private SingletonLazy() {}public static SingletonLazy getInstance() {if (instance null) {instance new SingletonLazy();}return instance;}
}优点延迟加载只有在需要时才创建实例。缺点线程不安全如果多个线程同时访问可能会创建多个实例。
2. 懒汉式线程安全
public class SingletonLazySynchronized {private static SingletonLazySynchronized instance;private SingletonLazySynchronized() {}public static synchronized SingletonLazySynchronized getInstance() {if (instance null) {instance new SingletonLazySynchronized();}return instance;}
}优点延迟加载线程安全。缺点同步方法降低了效率。
3. 饿汉式线程安全
public class SingletonEager {private static final SingletonEager INSTANCE new SingletonEager();private SingletonEager() {}public static SingletonEager getInstance() {return INSTANCE;}
}优点简单线程安全。缺点类加载时就完成实例化没有达到延迟加载的效果。
4. 双重校验锁线程安全
public class SingletonDoubleCheckedLocking {private static volatile SingletonDoubleCheckedLocking instance;private SingletonDoubleCheckedLocking() {}public static SingletonDoubleCheckedLocking getInstance() {if (instance null) {synchronized (SingletonDoubleCheckedLocking.class) {if (instance null) {instance new SingletonDoubleCheckedLocking();}}}return instance;}
}优点既保证了延迟加载又保证了线程安全效率较高。缺点实现复杂。
5. 静态内部类线程安全
public class SingletonStaticInnerClass {private static class SingletonHolder {private static final SingletonStaticInnerClass INSTANCE new SingletonStaticInnerClass();}private SingletonStaticInnerClass() {}public static SingletonStaticInnerClass getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}优点实现简单延迟加载线程安全。缺点实现方式可能不够直观。
6. 枚举方式线程安全
public enum SingletonEnum {INSTANCE;public void doSomething() {// 执行操作}
}优点简单提供了序列化机制绝对防止多次实例化。缺点不是懒加载模式非延迟加载。
每种方法都有其适用场景根据实际需求选择最合适的实现方式。
主要符合的设计原则
单一职责原则Single Responsibility Principle 单例模式确保了类有一个单一的职责即管理自己的唯一实例。这个类负责创建、管理这个实例并提供一个全局访问点。 开闭原则Open-Closed Principle 单例模式在某种程度上符合开闭原则。一旦单例类被正确实现它就可以在不修改源代码的情况下保持开放性例如可以继承自单例类。但是由于单例类控制了实例化过程扩展其功能可能需要修改源代码这在某种程度上限制了其对开闭原则的遵循。 里氏替换原则Liskov Substitution Principle 单例模式不完全符合里氏替换原则。由于单例类的构造函数是私有的子类无法直接继承这个构造函数。如果需要继承单例类就需要在子类中重写实例控制的逻辑。 接口隔离原则Interface Segregation Principle 单例模式并不直接关注接口隔离原则因为它通常不涉及接口的多重继承。单例类提供的接口是围绕其唯一实例的管理。 依赖倒转原则Dependency Inversion Principle 单例模式可以支持依赖倒转原则。虽然单例对象通常由单例类自身管理但是单例类可以实现接口使得高层模块依赖于抽象而不是具体的实例。
综上所述单例模式主要体现了单一职责原则但在其他几个设计原则方面的适用性较为有限。它专注于控制类实例的数量而在继承性和接口设计方面的灵活性不如其他设计模式。
在JDK中的应用
java.lang.Runtime: Runtime 类提供了与Java运行时环境交互的方法。它是一个单例因为每个Java应用程序有一个且只有一个运行时环境所以 Runtime.getRuntime() 方法提供了获取这个唯一实例的全局访问点。 java.awt.Desktop 或 java.awt.Toolkit: 在Java AWT库中Desktop 类和 Toolkit 类被用来提供平台相关的功能如桌面或工具包服务。这些类通常以单例模式实现提供一个全局访问点。 Java日志API 在Java日志API中java.util.logging.LogManager 类被用来维护日志服务的全局状态。它通常被实现为单例因为全局只需要一个日志管理器。 Spring框架中的Bean 虽然不是JDK的一部分但值得一提的是在Spring框架中Bean默认是单例的。Spring容器为每个Bean定义创建一个且只有一个实例。
这些例子展示了单例模式在Java标准库中的应用特别是在需要全局访问点和统一管理资源的情况下。单例模式通过确保类的单个实例全局可用简化了对共享资源或服务的访问和管理。
在Spring中的应用
Spring Bean的默认作用域 在Spring框架中默认情况下所有通过Spring容器创建的Bean都是单例的。这意味着每个由Spring容器管理的Bean类的实例在Spring的整个应用上下文中只有一个。这样做减少了对象的创建成本同时也减少了内存的消耗。 服务和组件 Spring中的服务和组件如数据源、事务管理器、工厂类等通常被配置为单例因为这些对象通常维护着自己的状态如数据库连接池在整个应用中共享这个状态更加高效。 全局状态的维护 Spring使用单例模式来维护应用级别的全局状态如配置属性和环境变量。 Spring Security的单例Bean 在Spring Security中像认证管理器AuthenticationManager、用户服务UserDetailsService等关键组件通常作为单例存在。
单例模式在Spring框架中的应用帮助管理了Bean的生命周期和状态确保了资源的高效利用和应用组件的统一访问。同时由于Spring容器管理着Bean的创建和销毁所以它还减轻了开发者处理单例实例化和线程安全问题的负担。然而使用单例Bean时需要注意Bean的状态管理避免因状态共享导致的潜在问题。
