单例模式（Singleton）

概述

单例模式是设计模式中的一种，属于创建型模式。它的核心思想是确保一个类在任何情况下都只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。这一模式常用于那些需要频繁实例化且消耗资源较多的对象，如线程池、缓存、日志系统等，通过限制实例数量来节约系统资源，同时也便于控制和协调这些实例的行为。

意图

• 资源共享：某些对象如数据库连接池，创建成本较高，通过单例模式可以实现资源共享，避免不必要的资源重复创建与释放。

• 控制访问：对于系统中的某些类，为了更好地全局控制其行为，确保只有一个实例存在是非常必要的。

• 全局唯一性：某些功能如配置管理器、线程管理器等，它们的逻辑上要求全局唯一，以保证数据的一致性和操作的安全性。

实现要点

基本实现步骤

1. 私有化构造函数：防止外部直接通过构造函数创建新的实例。

2. 定义静态私有实例：在类内部创建该类的一个实例，通常初始化为null。

3. 提供公共静态方法：提供一个全局访问点，用于返回这个唯一的实例。首次调用时创建实例，后续调用直接返回已创建的实例。

示例代码（Java）

public class Singleton {
    // 私有构造函数，防止外部直接创建实例
    private Singleton() {}

    // 静态私有变量，存储单一实例
    private static Singleton instance = null;

    // 公共静态方法，返回唯一的实例
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) { // 双重检查锁定，优化性能
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

注意事项

• 线程安全：在多线程环境下，需要确保getInstance()方法是线程安全的。常见的做法是使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）模式，如上例所示。

• 懒汉式与饿汉式：根据实例化时机的不同，单例模式分为懒汉式（延迟加载，即用时才创建）和饿汉式（类加载时就创建）。上述示例为懒汉式，饿汉式则直接在声明实例时完成初始化。

• 反射与序列化攻击：需要注意的是，即使实现了上述基本的单例模式，通过反射或序列化仍可能破坏单例的唯一性。要完全避免这种情况，需在构造函数中添加校验，并实现readResolve()方法处理序列化问题。

应用场景

• 配置管理器：应用程序中的配置信息一般只需加载一次，使用单例模式可以确保配置信息的统一管理。

• 日志记录器：日志系统往往需要将日志信息输出到同一个文件或控制台，单例模式能保证日志的有序性和一致性。

• 缓存管理器：缓存系统需要维护一份全局的数据副本，单例模式可以有效避免数据冗余和不一致。

总结

单例模式作为一种简单而实用的设计模式，在软件开发中有着广泛的应用。它通过限制实例的数量来达到节省资源、简化管理的目的。然而，在使用过程中也需注意其潜在的问题，如线程安全和反射攻击，合理设计并加以防护，以充分发挥单例模式的优势。