1. 引言
亲爱的读者们，欢迎来到我们的设计模式专题，今天的讲解的设计模式，还是单例模式哦！上次讲解的单例模式是基于Python实现（独一无二的设计模式——单例模式（python实现））的，但是目前很多实际系统是通过JAVA实现的，所以今天聊一聊基于JAVA的语言特性，单例模式的实现和应用。
2. 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。就像世界上只有一个太阳，我们也希望某些对象在整个应用程序中只有一个实例。单例模式适用于需要全局唯一访问的资源，如数据库连接、配置管理器、日志记录器等。
3. 单例模式的实现（Java）
基本实现
在Java中，单例模式通常使用懒汉式或饿汉式实现，以下讲解四种主要的实现方法：
懒汉式实现，懒汉式单例模式只有在第一次调用getInstance方法时才会创建实例：
java">public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
详细代码解析
instance静态变量用于存储单例实例，在类加载时，它被初始化为null；getInstance方法是获取实例的关键，如果instance为空，则创建一个新的实例并返回，否则返回已有的实例；- 私有构造函数
Singleton()防止类被外部实例化，确保实例只能通过getInstance方法获取。
多线程安全的懒汉式实现，为了应对多线程环境，可以使用同步块来确保线程安全：
java">public class Singleton {
private static Singleton instance;
private static final Object lock = new Object();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (lock) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
详细代码解析
lock是一个同步对象，用于确保在多线程环境下，只有一个线程能够创建实例；- 在
getInstance方法中使用synchronized块来加锁，确保只有一个线程能够进入创建实例的代码块。
饿汉式实现，饿汉式单例在类加载时就创建实例，相比懒汉式避免了多线程问题：
java">public class Singleton {
private static final Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
详细代码解析
instance静态变量在类加载时即被初始化，确保实例的唯一性和线程安全；- 私有构造函数防止外部实例化。
静态内部类实现，这种方法利用类加载机制，只有在调用getInstance时才会创建实例，确保线程安全和延迟加载：
java">public class Singleton {
private Singleton() {}
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
详细代码解析
SingletonHolder是一个静态内部类，包含了Singleton的唯一实例；- 在
getInstance方法中返回SingletonHolder.INSTANCE，确保实例的延迟加载和线程安全。
4. 单例模式的应用场景和实例
示例一：配置文件管理
在应用程序中，配置文件通常需要全局访问且不应被重复加载。使用单例模式可以确保配置管理器只有一个实例，从而避免重复加载配置文件。
java">import java.util.Properties;
public class ConfigurationManager {
private static ConfigurationManager instance;
private Properties config;
private ConfigurationManager() {
config = new Properties();
}
public static ConfigurationManager getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new ConfigurationManager();
}
return instance;
}
public void setConfig(String key, String value) {
config.setProperty(key, value);
}
public String getConfig(String key) {
return config.getProperty(key);
}
}
使用示例：
java">ConfigurationManager configManager = ConfigurationManager.getInstance();
configManager.setConfig("api_url", "https://api.example.com");
System.out.println(configManager.getConfig("api_url"));
示例二：日志记录
日志记录器是单例模式的经典应用之一，通过确保日志记录器的唯一性，我们可以统一管理日志输出，避免多个日志实例之间的混乱：
java">import java.util.logging.*;
public class LoggerSingleton {
private static LoggerSingleton instance;
private Logger logger;
private LoggerSingleton() {
logger = Logger.getLogger("singleton_logger");
ConsoleHandler handler = new ConsoleHandler();
SimpleFormatter formatter = new SimpleFormatter();
handler.setFormatter(formatter);
logger.addHandler(handler);
logger.setLevel(Level.INFO);
}
public static LoggerSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new LoggerSingleton();
}
return instance;
}
public void log(String message) {
logger.info(message);
}
}
使用示例：
java">LoggerSingleton logger = LoggerSingleton.getInstance();
logger.log("This is a log message.");
5. 单例模式的优缺点
优点
- 控制实例数量：确保一个类只有一个实例，节省资源；
- 全局访问点：提供一个全局访问点，方便管理和使用。
缺点
6. 图示
- 单例模式的UML图：
+----------------+
| Singleton |
+----------------+
| - _instance |
| - _lock |
+----------------+
| + getInstance()|
+----------------+
- 单例模式的示意图：
7. 总结
单例模式是一种简单而强大的设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。在实际开发中，单例模式广泛应用于配置管理、日志记录等场景，通过合理地使用单例模式，我们可以有效管理和优化资源，确保系统的一致性和稳定性。
