单例模式

Singleton Pattern

创建型模式

📖 模式定义

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。这种模式在需要控制资源访问、协调系统行为或确保某些组件只有一个副本时非常有用。

🎯 解决的问题

资源控制：确保某些昂贵的资源（如数据库连接、文件系统、网络连接）只被创建一次
全局状态管理：提供一个全局访问点来管理应用程序的状态
协调行为：确保系统中某些组件的行为是协调一致的
缓存管理：管理全局缓存，避免重复创建相同的对象

💻 代码实现

Java 实现（线程安全的懒汉式）

Java

public class Singleton {
    // 使用 volatile 关键字确保多线程环境下的可见性
    private static volatile Singleton instance;
    
    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {
        // 防止反射攻击
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("请使用 getInstance() 方法获取实例");
        }
    }
    
    // 双重检查锁定（Double-Checked Locking）
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    
    // 业务方法
    public void doSomething() {
        System.out.println("单例对象正在执行业务逻辑...");
    }
}

Python 实现（装饰器方式）

Python

def singleton(cls):
    """单例装饰器"""
    instances = {}
    
    def get_instance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]
    
    return get_instance

@singleton
class DatabaseConnection:
    def __init__(self):
        self.connection = None
        print("创建数据库连接...")
    
    def connect(self):
        if not self.connection:
            self.connection = "已连接到数据库"
        return self.connection
    
    def query(self, sql):
        return f"执行查询: {sql}"

# 使用示例
db1 = DatabaseConnection()
db2 = DatabaseConnection()
print(db1 is db2)  # True，同一个实例

JavaScript 实现（ES6 类）

JavaScript

class Singleton {
    constructor() {
        // 如果已经存在实例，返回现有实例
        if (Singleton.instance) {
            return Singleton.instance;
        }
        
        // 初始化实例
        this.data = [];
        this.timestamp = Date.now();
        
        // 保存实例引用
        Singleton.instance = this;
        
        // 冻结实例，防止修改
        Object.freeze(this);
    }
    
    addData(item) {
        this.data.push(item);
    }
    
    getData() {
        return this.data;
    }
    
    static getInstance() {
        if (!Singleton.instance) {
            Singleton.instance = new Singleton();
        }
        return Singleton.instance;
    }
}

// 使用示例
const instance1 = new Singleton();
const instance2 = new Singleton();
const instance3 = Singleton.getInstance();

console.log(instance1 === instance2); // true
console.log(instance1 === instance3); // true

✅ 优点

控制实例数量：确保类只有一个实例
全局访问：提供全局访问点
延迟初始化：可以在需要时才创建实例
节省资源：避免重复创建昂贵的对象
状态一致性：确保全局状态的一致性

❌ 缺点

违反单一职责：既要管理实例创建又要处理业务逻辑
难以测试：全局状态使单元测试变得困难
隐藏依赖：代码依赖关系不够明确
线程安全：多线程环境下需要特殊处理
扩展困难：难以继承和扩展

🔧 适用场景

数据库连接池：管理数据库连接，避免频繁创建和销毁连接
日志记录器：全局日志管理，确保日志输出的一致性
配置管理：应用程序配置信息的全局访问点
缓存管理：全局缓存系统，避免重复计算
线程池：管理应用程序的线程资源
设备驱动：硬件设备的访问控制

⚠️ 注意事项

线程安全：在多线程环境下要确保线程安全
反射攻击：防止通过反射机制破坏单例
序列化问题：序列化和反序列化可能创建新实例
类加载器：不同类加载器可能创建不同实例
内存泄漏：单例对象持有的引用可能导致内存泄漏

🔄 相关模式

工厂模式：可以使用工厂模式来创建单例对象
抽象工厂模式：抽象工厂本身可以是单例
建造者模式：建造者可以是单例
原型模式：原型注册表可以是单例