1. 引言
1.1 背景
当在应用程序中需要控制资源共享、进行配置管理和日志记录等操作时，一种常见的需求是希望通过一个全局访问点，让程序无论在哪个地方，只要能够访问到，就可以通过这个全局访问点，来获取相关实例信息。为满足这种需求，我们可以采用单例模式（Singleton Pattern）。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来访问该实例。
具体来说，单例模式通常会提供一个静态方法（例如getInstance()），这个方法返回类的唯一实例。由于这个方法是静态的，因此它可以在不创建类实例的情况下被调用。这意味着任何代码只要能够访问到该类，就可以通过调用这个静态方法来获取单例实例。
1.2 目的
本文将详细介绍单例模式的基本概念、实现步骤。通过本篇文章，你将能够理解单例模式的工作原理，并学会如何在实际项目中有效地利用它。
2. 何为单例模式？
讲个趣味性点的例子，单例模式就像是一个动漫世界里的主角光环，无论剧情如何发展，主角永远只有一个，而且每个人都知道他是故事的核心。这样，无论故事如何展开，大家都能找到同一个人来推动剧情。
2.1 单例模式的优缺点
优点
确保单一实例：避免重复创建实例，节省资源。
全局访问点：方便全局访问，简化调用。
延迟初始化：按需创建实例，提高性能。
缺点
难以扩展：单例类通常难以扩展，因为构造函数是私有的。
潜在的性能问题：在高并发环境下，某些实现方式可能会有性能问题。
测试困难：单例模式可能会导致测试困难，因为它是全局状态。
2.2 单例模式的使用场景
根据单例模式的特点，它的使用场景可以分为如下几个：
- 比如说在资源共享的情况下，可以将配置文件数据、日志文件放在一个文件中，这些配置数据或日志文件由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这样可以简化在复杂环境下的配置管理。
- 在控制资源的情况下，比如说线程池中，多线程的线程池的设计一般采用单例模式，方便对池中的线程进行控制。
3. 单例模式的实现模式
单例模式的实现通常包括三个要素：
- 私有构造方法，将类的构造函数设为私有，这样外部就无法通过 new 关键字来创建实例。
- 私有静态引用指向自己实例，在类内部创建一个静态的实例变量，用于保存唯一的实例。
- 以自己实例为返回值的公有静态方法，提供一个静态方法，让外部可以通过这个方法获取到唯一的实例。
3.1 饿汉式单例模式
对于饿汉式单例模式，单例实例在类装载时就构建，线程安全，因为在类加载的同时已经创建好一个静态对象，调用时反应速度快。缺点也很明显，资源效率不高，只要执行该类的其他静态方法或者加载了该类，这个实例仍然会初始化。
/** * 饿汉单例模式：在还没有实例化的时候就初始化*/
public class Hungry { //1. 开始时就创建实例private static final Hungry instance=new Hungry();// 2. 私有化的构造方法private void hungry() { }public static Hungry getInstance() { // 返回单例名return instance; }
}
3.2 懒汉式单例模式
对于懒汉式单例模式，单例实例在第一次被使用时构建，延迟初始化，相对资源利用率高。缺点是当多个线程同时访问就可能同时创建多个实例，而这多个实例不是同一个对象，虽然后面创建的实例会覆盖先创建的实例，但还是会存在拿到不同对象的情况。
/*** 懒汉单例模式：没有用就不初始化，要用时，才初始化*/
public class Slacker {// 1. 静态属性，存储单例private static Slacker instance = null; // 2. 私有的构造器，限制外部不能访问private void slacker() { }// 3. 静态方法，获取单例public static Slacker getInstance() { if (instance == null) {// 初始化instance = new Slacker();}// 4. 返回单例名return instance; }
}
3.3 双重检测懒汉式单例模式
双重检测懒汉式单例模式，就是为了解决懒汉式单例模式的缺点的，使用了synchronized关键字对实例初始化前后进行加锁。缺点是第一次加载时反应不快，多线程使用不必要的同步开销大。
/*** 双重检查锁定的懒汉模式*/
public class LockUp {// 1. 静态属性，存储单例private static volatile LockUp instance = null; // 2. 私有的构造器，限制外部不能访问private LockUp() {}// 3. 静态方法，获取单例public static LockUp getInstance() { if (instance == null) {// 加锁保证一次运行一个synchronized (LockUp.class) {if (instance == null) {instance = new LockUp();}}}return instance; }
}
3.4 静态内部类
静态内部类，资源利用率高，单例实例在第一次使用时构建，延迟初始化。缺点是第一次加载时反应不够快。
public class Singleton {private Singleton() {// 初始化代码}private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}public static Singleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}
3.5 枚举单例模式
利用枚举实现单例，在还没有实例化的时候就初始化，简洁且线程安全。
public enum Singleton {INSTANCE;// 添加需要的属性和方法public void someMethod() {// 方法实现}
}
4. 单例模式的具体实现流程
4.1 如何使用单例模式管理配置文件数据？
- 首先，基于SpringBoot项目，假设有配置文件application.properties:
db.host=localhost
db.port=3306
- 接着，使用单例模式，管理配置文件
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.util.Properties;public class ConfigurationManager {// 1. 静态实例，存储单例private static ConfigurationManager instance;// 2. 配置属性，用于加载配置文件private Properties properties;// 3. 私有的构造器，限制外部不能访问private ConfigurationManager() {properties = new Properties();try {// 读取配置文件FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("application.properties");properties.load(fileInputStream);fileInputStream.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}// 4. 静态方法，获取单例public static synchronized ConfigurationManager getInstance() {if (instance == null) {instance = new ConfigurationManager();}return instance;}// 6. 公共方法，提供获取配置文件属性的功能public String getProperty(String key) {return properties.getProperty(key);}
}
- 通过ConfigurationManager.getInstance() 获取单例实例
public static void main(String[] args) {// 获取单例实例ConfigurationManager configManager = ConfigurationManager.getInstance();// 获取配置信息String dbHost = configManager.getProperty("db.host");String dbPort = configManager.getProperty("db.port");System.out.println(dbHost + ":" + dbPort);}
4.2 如何使用单例模式实现线程池？
在多线程环境中，线程池通常采用单例模式来确保全局只有一个线程池实例，从而方便对池中的线程进行控制和管理。
- 首先依旧是构建一个单例类，用于管理线程池
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ThreadPoolManager {// 1. 静态实例，存储单例private static ThreadPoolManager instance;// 2. 设置线程池private ExecutorService executorService;// 3. 使用私有的构造器，限制外部不能访问private ThreadPoolManager() {// 创建一个固定大小的线程池executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);}// 4. 静态方法，获取单例public static synchronized ThreadPoolManager getInstance() {if (instance == null) {instance = new ThreadPoolManager();}return instance;}// 5. 公共方法，提供提交任务到线程池的功能public void submitTask(Runnable task) {executorService.submit(task);}// 6. 公共方法，提供关闭线程池的功能public void shutdown() {executorService.shutdown();}
}
- 通过ThreadPoolManager.getInstance() 获取单例实例
public static void main(String[] args) {// 获取单例线程池实例ThreadPoolManager threadPoolManager = ThreadPoolManager.getInstance();// 提交任务到线程池，假设有10个任务for (int i = 0; i < 10; i++) {final int taskNumber = i;threadPoolManager.submitTask(() -> {System.out.println("当前编号为" + taskNumber + "的线程名称是：" + Thread.currentThread().getName());});}// 关闭线程池threadPoolManager.shutdown();
}
4.3 Spring Bean的单例模式管理配置文件数据
如果学过Spring的小伙伴，应该清楚，Spring框架中，默认情况下管理的Bean是单例的，这也意味着Spring容器在创建和管理Bean时，每个Bean只会有一个实例，并且这个实例会被所有需要它的地方共享。例如
import org.springframework.stereotype.Component;@Component
public class SingletonBean {// Bean的实现
}
依旧是举个示例：使用Spring Bean的单例模式获取配置文件中，数据库的基本信息。
- 首先，配置文件信息还是假设application.properties ：
db.host=localhost
db.port=3306
- 创建一个Java类绑定配置属性
import org.springframework.boot.context.properties.ConfigurationProperties;
import org.springframework.stereotype.Component;
import lombok.Data;@Component
@ConfigurationProperties(prefix = "db")
public class DbConfig {private String host;private String port;
}
- 在Spring Boot应用的启动类绑定配置属性
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.boot.context.properties.EnableConfigurationProperties;@SpringBootApplication
@EnableConfigurationProperties(DbConfig.class)
public class MyAppApplication {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(MyAppApplication.class, args);}
}
- 最后，只需要注入DbConfig Bean，就可以使用这些配置属性
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;@Service
public class SingletonService {@Autowiredprivate DbConfig dbConfig;public void getProperty() {System.out.println(dbHost + ":" + dbPort);}
}
