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设计模式创建型单例模式（Singleton Pattern）与常见技术框架应用解析

article 2025/1/4 13:56:05

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单例模式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。

唯一性：保证一个类在系统中只有一个实例。
控制访问：提供一个全局访问点来获取该实例。
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、常见技术框架应用代码示例

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 {
    @Bean
    public MyBean myBean() {
        return new MyBean();
    }
}