设计模式 创建型 单例模式（Singleton Pattern）与 常见技术框架应用 解析

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单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，旨在确保某个类在应用程序的生命周期内只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。这种设计模式在需要控制资源访问、避免频繁创建和销毁对象的场景中尤为有用。

一、核心思想

单例模式的核心思想是限制类的实例化次数，确保整个应用程序中只有一个实例存在，并且这个实例可以被全局访问。这通常通过私有化构造函数、提供一个静态方法来获取实例的方式实现。

  1. 唯一性：保证一个类在系统中只有一个实例。
  2. 控制访问：提供一个全局访问点来获取该实例。
  3. 延迟初始化（可选）：实例化可以延迟到第一次使用时，以节省资源。
实现单例模式的关键要素：
  • 私有构造函数：防止外部通过new关键字创建新的实例。
  • 静态方法或属性：用于存储和返回唯一的实例。
  • 线程安全：如果应用是多线程的，则需要确保在并发环境下也能正确工作。

二、定义与结构

定义：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获取该实例。

结构：

  • 单例类：负责创建和管理唯一的实例。
  • 静态成员变量：用于保存唯一的实例引用。
  • 获取实例方法：通常是一个静态方法，用于返回唯一的实例。
  • 私有构造函数：防止外部通过构造函数创建多个实例。
角色
  • 单例类：包含私有构造函数、静态成员变量和获取实例的静态方法。

三、实现步骤及代码示例

以Java为例，单例模式的实现方式有多种，包括饿汉式、懒汉式、双重检查锁定（Double-Checked Locking）和静态内部类实现方式等。以下是几种常见实现的代码示例：

1、饿汉式

  • 特点：在类加载时就创建实例，没有延迟加载的效果，但避免了多线程的同步问题。
  • 优点：线程安全，执行效率高。
  • 缺点：可能导致内存浪费，因为实例在类加载时就已创建，即使未使用。
public class HungrySingleton implements Serializable {private static final long serialVersionUID = 1L;private static final HungrySingleton hungry = new HungrySingleton();private HungrySingleton() {// 防止反序列化时重新创建实例if (hungry != null) {throw new RuntimeException("请使用 HungrySingleton.getInstance() 方法获取一个单例实例");}}public static HungrySingleton getInstance() {return hungry;}// 其他方法...
}

2、懒汉式（线程不安全）

  • 特点：按需加载，节省资源，只有在确实需要的时候才会创建实例。但存在线程安全问题。

  • 优点：延迟加载，提高了程序启动的速度。

  • 缺点：在多线程环境下需要额外的同步机制来保证线程安全。

  • 线程不安全的懒汉式示例代码：

public class LazySingleton {private static LazySingleton lazyMan;public LazySingleton() {// 构造函数可以为空或包含初始化代码}public static LazySingleton getInstance() {if (lazyMan == null) {lazyMan = new LazySingleton();}return lazyMan;}// 其他方法...
}

上述代码在多线程环境下可能会出现多个实例，因此线程不安全。

注意：懒汉式（线程不安全）在多线程环境下可能会导致多个实例被创建，因此通常不推荐使用。

3、双重检查锁定（Double-Checked Locking）

线程安全的懒汉式示例代码（双重检查锁定）：

public class LazySafe {private static volatile LazySafe instance = null;private LazySafe() {}public static LazySafe getInstance() {if (instance == null) {synchronized (LazySafe.class) {if (instance == null) {instance = new LazySafe();}}}return instance;}
}

使用volatile关键字确保在多线程环境中正确处理，双重检查锁定保证了线程安全和性能。

4、静态内部类实现方式

  • 特点：利用Java的类加载机制实现延迟加载，线程安全且高效。

  • 优点：实现简单，无需额外的同步机制。

  • 缺点：无法支持非静态单例需求。

  • 示例代码：

public class InnerClassSingleton {private InnerClassSingleton() {// 构造函数可以为空或包含初始化代码}private static class Holder {private static final InnerClassSingleton INSTANCE = new InnerClassSingleton();}public static InnerClassSingleton getInstance() {return Holder.INSTANCE;}// 其他方法...
}

5、枚举单例

  • 特点：实现简单，线程安全，防止反射和序列化破坏。

  • 优点：最简洁的实现方式，由Java语言本身保证线程安全性。

  • 缺点：不支持延迟加载。

  • 示例代码：

public enum Singleton {INSTANCE;public void someMethod() {// 单例方法逻辑}
}

四、JavaScript中的单例模式实现

基本实现

class Singleton {constructor() {if (typeof Singleton.instance === 'object') {return Singleton.instance;}Singleton.instance = this;}static getInstance() {if (!this.instance) {new this();}return this.instance;}someBusinessLogic() {// ...业务逻辑...}
}// 使用示例
const instanceA = Singleton.getInstance();
const instanceB = Singleton.getInstance();console.log(instanceA === instanceB); // true

模块模式下的单例

在JavaScript中，模块本身就是一个天然的单例，因为每个模块只会被加载一次。因此，可以利用ES6模块来实现单例模式。

// singleton.js
const singleton = (() => {let privateState = {}; // 私有状态function somePrivateMethod() {// 私有方法}return {publicMethod: function() {// 公共方法somePrivateMethod();},getPrivateState: function() {return privateState;}};
})();export default singleton;// 在其他文件中导入并使用
import singleton from './singleton';singleton.publicMethod();
console.log(singleton.getPrivateState());

线程安全的单例（适用于Node.js）

当涉及到多线程环境时，如Node.js worker_threads，可能需要确保线程安全。

class ThreadSafeSingleton {constructor() {if (!ThreadSafeSingleton.instance) {ThreadSafeSingleton.instance = this;}return ThreadSafeSingleton.instance;}static getInstance() {if (!this.instance) {// 如果是在多线程环境中，这里应该加入锁机制// 例如使用Promise或其他同步机制来保证线程安全new this();}return this.instance;}someBusinessLogic() {// ...业务逻辑...}
}

使用立即执行函数表达式（IIFE）

这是一种经典的JavaScript单例实现方式，尤其是在不支持模块化的旧版本浏览器中。

const singleton = (function () {const privateState = {}; // 私有状态function privateMethod() {// 私有方法}return {publicMethod: function () {// 公共方法privateMethod();},getPrivateState: function () {return privateState;}};
})();

五、常见技术框架应用

在Spring框架中，单例模式也得到了广泛应用。Spring容器默认创建的Bean是单例的，即在整个Spring IoC容器中，一个Bean只会有一个实例。以下是Spring中配置单例Bean的示例：

<bean id="myBean" class="com.example.MyBean" singleton="true"/>

或者，在基于注解的配置中，可以通过@Component或@Bean注解来定义Bean，并默认其为单例：

@Component
public class MyBean {// ...
}@Configuration
public class AppConfig {@Beanpublic MyBean myBean() {return new MyBean();}
}

六、应用场景

单例模式常用于以下场景：

  1. 日志记录器：在整个应用程序中，通常只需要一个日志记录器来记录日志信息。
  2. 配置管理器：应用程序的配置信息通常只需要一个实例来管理，以确保配置的一致性。
  3. 数据库连接池：为了有效地管理数据库连接，避免频繁地创建和销毁连接，通常使用单例模式来创建数据库连接池。
  4. 线程池：管理和复用线程，避免频繁地创建和销毁线程，提高系统性能。
  5. 全局计数器：在需要全局唯一的计数器时，可以使用单例模式。
  6. 购物车服务：在电子商务网站中，用户的购物车应当是唯一的。
  7. 窗口管理器：图形界面程序中，窗口管理器应确保只有一个实例来协调所有窗口的行为。

七、优缺点

优点：

  1. 延迟加载：只有在需要时才创建实例，节省资源。
  2. 全局访问点：提供一个全局访问对象的方式，方便在不同模块和组件之间共享资源。
  3. 控制资源：在需要限制实例数量的场景下（如数据库连接池、日志系统），单例模式能够确保系统中只有一个实例在操作资源。

缺点：

  1. 线程安全问题：在多线程环境下，需要额外的同步机制来确保线程安全，可能会影响性能。
  2. 单例类的职责单一：单例模式通常要求单例类只承担一个职责，否则可能会违背单一职责原则，导致代码难以维护。

综上所述，单例模式是一种非常有用的设计模式，在需要控制资源访问和避免频繁创建对象的场景中发挥着重要作用。然而，在使用时也需要注意其潜在的缺点，并根据具体场景选择合适的实现方式。
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