单例模式 (Singleton) 全面讲解

单例模式 (Singleton) 全面讲解

1. 什么是单例模式？

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

• 为什么需要？
  比如数据库连接池、日志管理器、配置加载等场景，如果重复创建实例会浪费资源或导致数据不一致。

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2. 单例模式的核心实现

关键点：

1. 私有构造函数：防止外部通过new创建实例。
2. 静态私有变量：保存唯一实例。
3. 静态公有方法：提供全局访问点（如getInstance()）。

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2.1 基础版（懒汉式，线程不安全）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;  // 静态私有变量
    
    private Singleton() {}  // 私有构造函数
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();  // 延迟初始化
        }
        return instance;
    }
}

• 问题：多线程环境下可能创建多个实例（考试常考！）。

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2.2 线程安全版（加锁）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static synchronized Singleton getInstance() {  // 加锁
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

• 缺点：每次调用getInstance()都加锁，性能差。

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2.3 双重检查锁（DCL，最优解）

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;  // volatile防止指令重排序
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {                     // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {         // 加锁
                if (instance == null) {             // 第二次检查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

• 为什么用volatile？
  防止JVM指令重排序导致未初始化的对象被返回（进阶考点）。

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2.4 饿汉式（线程安全，推荐）

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();  // 类加载时初始化
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

• 优点：简单、线程安全（利用类加载机制）。
• 缺点：即使不用也会创建实例，可能浪费内存。

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3. 应用场景

• 经典用途：
  • 数据库连接池（如DataSource）。
  • 日志管理器（全局共享日志文件）。
  • 配置信息类（如AppConfig）。
• 面试考点：
  • 如何破坏单例？（反射、序列化）
  • 如何防御？（枚举单例、readResolve()方法）

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4. 互动实践

问题1：以下代码是单例吗？为什么？

public class FakeSingleton {
    public static FakeSingleton instance = new FakeSingleton();
    private FakeSingleton() {}
}

• 答案：不是！因为instance是public的，外部可直接修改，如FakeSingleton.instance = null;。

问题2：如何用枚举实现单例？

public enum EnumSingleton {  // 枚举天然防反射、序列化破坏
    INSTANCE;
    public void doSomething() {
        System.out.println("Singleton method");
    }
}

• 调用方式：EnumSingleton.INSTANCE.doSomething();
• 优点：最简单、最安全的单例实现（Joshua Bloch推荐）。

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5. 考试练习题

题目1（基础）

单例模式的目的是什么？
A. 限制类的实例化次数
B. 提高类的性能
C. 允许子类覆盖父类方法
D. 实现多态

答案：A

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题目2（代码填空）

补全以下双重检查锁单例模式的代码：

public class Singleton {
    private static ____ Singleton instance;  // 关键字填空
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            ____ (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = ____ Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

答案：

1. volatile
2. synchronized
3. new

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题目3（进阶）

为什么双重检查锁需要volatile关键字？
答案：防止JVM指令重排序导致其他线程获取到未初始化的对象。

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