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单例模式---是 Spring 容器的核心特性之一

article 2025/3/1 7:29:44

1.最近面试让手写一个单例；我一直知道单例；但是一直很困惑；工作中也没怎么用过；为什么面试总问；今天我才知道思考出来；单例是spring容器的核心特性；很多知识我只知道是什么；但是没有建立起来连接；今天就将单例和Spring容器就建立了密不可分的连接

spring是怎么保证单例的

1. IoC 容器的缓存机制

2. 线程安全机制

3. 生命周期管理

4. 实例化过程

示例代码

注意事项

在线程池中调用单例bean 使用的还是同一个bean吗

示例代码

输出结果示例：

如何处理线程安全问题？

单例Bean在多线程环境下如何保证线程安全？

1. 无状态单例

2. 使用 synchronized

3. 使用线程安全的类和集合

4. 不可变对象

5. 使用 ThreadLocal

6. 使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）

7. Spring 的作用域与代理

总结

2.在 Spring 框架中，Bean 默认的单例作用域（Singleton Scope）是通过 IoC（控制反转）容器的内部机制来实现的。

在 Spring 框架中，默认情况下，Bean 的作用域（Scope）是单例（Singleton）。这意味着在 Spring 容器中，每个 Bean 默认有且只有一个实例。

什么是单例模式？

单例模式是一种设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
在 Spring 中，单例 Bean 在整个应用上下文中只有一个实例。这个实例在第一次被请求时创建，之后每次请求都会返回同一个实例。

重要性

全局唯一性：单例模式确保在一个应用上下文中，Bean 的实例是全局唯一的。这在共享资源（如数据库连接、缓存等）的场景下非常有用，可以避免资源冲突。
资源利用：对于一些重量级的对象（如数据库连接池、第三方服务客户端等），使用单例模式可以避免频繁创建和销毁对象，从而提高性能。

如何确保是单例？

Spring 容器负责管理 Bean 的生命周期。在默认情况下，如果你将一个类定义为 Bean（例如通过 @Component、@Service、@Repository 或 XML 配置等），Spring 会自动将其作为单例处理。

示例代码

java复制

@Component
public class ExampleService {
    private String message;

    public ExampleService() {
        this.message = "Hello from ExampleService!";
    }

    public String getMessage() {
        return message;
    }
}

Bean 的作用域

默认作用域（Singleton）：@Scope("singleton")（默认值）。
其他作用域：
- Prototype：每次请求都会创建新的实例。
- Request：在基于 HTTP 请求的应用中，每个请求都会创建一个新的 Bean 实例（仅限于 Web 应用）。
- Session：在基于 HTTP 会话的应用中，每个会话都会创建一个新的 Bean 实例（仅限于 Web 应用）。
- Application：在基于 ServletContext 的应用中，每个应用上下文会创建一个新的 Bean 实例。

如何显式配置作用域？

java复制

@Component
@Scope("prototype") // 配置为 Prototype Scope
public class ExampleService {
    // ...
}

spring是怎么保证单例的

在 Spring 框架中，Bean 默认的单例作用域（Singleton Scope） 是通过 IoC（控制反转）容器 的内部机制来实现的。Spring 通过以下几种方式确保 Bean 的单例性：

1. IoC 容器的缓存机制

Spring 使用一个缓存（Cache）来存储已经创建的单例 Bean。当第一次请求一个单例 Bean 时，Spring 容器会创建该 Bean 的实例，并将其存储在缓存中。之后，所有对该 Bean 的请求都会直接从缓存中返回同一个实例，而不是重新创建。

2. 线程安全机制

Spring 的单例 Bean 是线程安全的，因为它的创建和管理是由 Spring 容器负责的。容器使用多种线程安全技术（如双检锁、同步等）来确保在多线程环境下只创建一个 Bean 实例。

3. 生命周期管理

Spring 管理 Bean 的生命周期，包括初始化、依赖注入和销毁。对于单例 Bean，Spring 会在容器启动时创建该 Bean，并确保在整个应用上下文中只存在一个实例。

4. 实例化过程

Spring 使用单例模式的变种来实例化 Bean。例如，对于某个类 MyService，Spring 会创建一个实例并存储在容器中。每次从容器中获取 MyService 时，都会返回同一个实例。

示例代码

假设我们有一个简单的 Service 类：

java复制

@Service
public class MyService {
    public String getMessage() {
        return "Hello from MyService!";
    }
}

在 Spring 中，MyService 是一个单例 Bean。无论在多少个地方使用 @Autowired 注入该 Bean，获取的都是同一个实例。

注意事项

虽然 Spring 默认是单例，但在多线程环境下需要确保共享的单例 Bean 是线程安全的。如果 Bean 的状态可变，可能存在线程安全问题，需要开发者自行处理（例如使用线程同步、不可变对象等）。

通过以上机制，Spring 确保了默认情况下每个 Bean 在整个应用上下文中只有一个实例。

在线程池中调用单例bean 使用的还是同一个bean吗

在线程池中调用一个 Spring 管理的单例 Bean 时，以下几点需要明确：

线程池的线程共享同一个 Bean 实例：
- 如果该 Bean 是 Spring 的单例作用域（默认作用域），那么无论线程池中的线程如何调用，获取到的都是 同一个 Bean 实例。
- 这是 Spring 的单例模式设计的直接体现，因此线程池中的线程可以安全地共享该 Bean 的实例。
线程安全性问题：
- 单例 Bean 是线程不安全的吗？：这取决于 Bean 的实现。如果 Bean 是无状态的（不维护任何实例变量或状态），或者其状态是线程安全的（通过同步等机制保护），则单例 Bean 是安全的。
- 如果 Bean 有可变状态：需要确保其状态是线程安全的。否则，多个线程同时访问和修改状态可能会导致数据不一致或其他问题。
线程池与 Spring 容器的关系：
- Spring 容器保证单例 Bean 在整个应用上下文中只存在一个实例。
- 线程池只是 Spring 应用程序中的一个组件，它使用 Spring 提供的 Bean 实例来完成任务。

示例代码

假设有一个简单的 Spring Boot 应用程序，其中包含一个单例 Bean 和一个线程池：

java复制

@Service
public class MySingletonService {
    private int counter = 0;

    public void incrementAndPrint() {
        counter++; // 这里没有线程安全保护
        System.out.println("Counter: " + counter + " from thread " + Thread.currentThread().getName());
    }
}

@SpringBootApplication
public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        ConfigurableApplicationContext context = SpringApplication.run(Application.class, args);
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
        MySingletonService service = context.getBean(MySingletonService.class);

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.submit(() -> service.incrementAndPrint());
        }

        executorService.shutdown();
    }
}

输出结果示例：

由于 counter 是可变状态且没有线程安全保护，输出结果可能如下：

复制

Counter: 1 from thread pool-1-thread-3
Counter: 2 from thread pool-1-thread-3
Counter: 3 from thread pool-1-thread-5
Counter: 4 from thread pool-1-thread-5
... // 顺序和值可能不一致

如何处理线程安全问题？

无状态 Bean：确保 Bean 不维护任何可变的状态，这样它天然就是线程安全的。
同步访问：使用 synchronized 方法或块来保护共享状态的访问。
读写锁：使用 ReentrantReadWriteLock 来提高并发性能。
Immutable 对象：将 Bean 的状态设置为不可变（immutable），确保其不可修改。
线程安全类：使用线程安全的类（如 ConcurrentHashMap）来存储状态。

在线程池中调用 Spring 管理的单例 Bean 时，使用的是同一个 Bean 实例。
如果 Bean 的实现需要线程安全，必须采取相应的措施（如同步、不可变对象等）来确保其在多线程环境下的安全。

单例Bean在多线程环境下如何保证线程安全？

单例 Bean 在多线程环境下，如果其维护的状态是可变的，可能需要额外的机制来保证线程安全。以下是几种常见的解决方法：

1. 无状态单例

如果单例 Bean 不维护任何可变状态，只提供无状态的服务（如计算、工具方法等），那么它是线程安全的。

示例：

java复制

@Service
public class StatelessService {
    public int calculate(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

理由：无状态的单例 Bean 不存在线程安全问题，因为它的方法不会改变对象状态。

2. 使用 `synchronized`

使用 synchronized 关键字同步共享资源的访问。可以同步方法或代码块。

示例：

java复制

@Service
public class SingletonService {
    private int count = 0; // 可变状态

    // 同步整个方法
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // 或者同步代码块
    public void incrementSafe() {
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }
}

理由：确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。

3. 使用线程安全的类和集合

使用线程安全的类（如 ConcurrentHashMap、AtomicInteger 等）来管理状态。

示例：

java复制

@Service
public class SingletonService {
    private final ConcurrentHashMap<String, String> cache = new ConcurrentHashMap<>();

    public void put(String key, String value) {
        cache.put(key, value);
    }

    public String get(String key) {
        return cache.get(key);
    }
}

理由：ConcurrentHashMap 是线程安全的，避免了同步带来的性能问题。

4. 不可变对象

将对象设计为不可变（Immutable），通过 final 修饰成员变量，并在构造函数中初始化。

示例：

java复制

@Service
public class ImmutableService {
    private final int value;

    public ImmutableService(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }
}

理由：不可变对象一旦创建就不能修改，因此是线程安全的。

5. 使用 `ThreadLocal`

ThreadLocal 提供线程本地存储，每个线程都有自己的实例副本。

示例：

java复制

@Service
public class SingletonService {
    private final ThreadLocal<Integer> threadLocalValue = new ThreadLocal<>();

    public void set(int value) {
        threadLocalValue.set(value);
    }

    public Integer get() {
        return threadLocalValue.get();
    }
}

理由：每个线程操作的是自己的本地副本，不会出现线程安全问题。

6. 使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）

结合 volatile 和 synchronized，延迟初始化单例 Bean。

示例：

java复制

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

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