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设计模式之单例模式

Mr.Legend2026/8/11大约 7 分钟Java、设计模式Java设计模式

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。

一、概念

单例模式（Singleton Pattern）的目标是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

这意味着无论在程序的任何位置，都应该能够访问到该类的唯一实例。通过将实例的创建和访问逻辑集中管理，可以避免不一致状态，并提高内存使用效率。

二、特点

特点说明
唯一实例单例类只能有一个实例
自行创建单例类必须自己创建自己的唯一实例
全局访问单例类必须给所有其他对象提供这一实例

💡 核心思想：单例模式的类必须负责创建自己的实例，并在必要时向其他对象提供该实例。

三、代码实现

3.1 直接使用静态类的方式

这种方式在日常编码开发中很常见，它可以在第一次运行时直接初始化 Map 类，同时也不需要等到延迟加载在使用。在不需要维持任何状态情况下，仅仅用于全局访问。

public static Map<String,String> cache = new ConcurrentHashMap<>();

3.2 懒汉式单例模式（线程不安全）

⚠️ 注意：这种方式在多线程场景下不满足单例模式的要求，可能会创建多个实例。

public class Singleton_01 {

    private static Singleton_01 singleton01;

    private Singleton_01(){}

    public static Singleton_01 getInstance(){
        if(singleton01 == null){
            singleton01 = new Singleton_01();
        }
        return singleton01;
    }

}

3.3 懒汉式（线程安全）

描述： 这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。

  • 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
  • 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。

💡 适用场景：getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。


public class Singleton_02 {

    private static Singleton_02 singleton02;

    private Singleton_02(){}

    public static synchronized Singleton_02 getInstance(){
        if(singleton02 == null){
            singleton02 = new Singleton_02();
        }
        return singleton02;
    }

}

3.4 双重校验锁模式

这个模式在简易的懒汉单例模式加上了 volatile 和 synchronized 来保证了创建对象的顺序和保证只能有一个线程来进行创建对象。

singleton 为什么要加上 volatile 关键字？

主要原因就是 singleton = new Singleton(); 不是一个原子操作。

在 JVM 中，这句语句至少做了 3 件事：

  1. 给 Singleton 的实例分配内存空间；
  2. 调用 Singleton() 的构造函数，初始化成员字段；
  3. 将 singleton 指向分配的内存空间（此时 singleton 就不是 null 了）。

因为存在着指令重排序的优化，第 2、3 步的顺序是不能保证的，最后的执行顺序可能是 1→2→3，也可能是 1→3→2，假如执行顺序是 1→3→2，就可能出现线程拿到未初始化完成的对象。

✅ volatile 的作用：禁止指令重排序，保证对象完全初始化后才对其他线程可见。

public class Singleton_05 {

    private static volatile Singleton_05 singleton05;

    private Singleton_05() {

    }

    public static Singleton_05 getInstance() {
        if (singleton05 != null) {
            return singleton05;
        }
        synchronized (Singleton_05.class) {
            if (singleton05 == null) {
                // new 不是原子操作，volatile 用于禁止指令重排序，避免返回未初始化完成的对象
                singleton05 = new Singleton_05();
            }
        }

        return singleton05;
    }

}

3.5 饿汉式（线程安全）

描述： 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

  • 优点：没有加锁，执行效率会提高。
  • 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
public class Singleton_03 {

    private static final Singleton_03 singleton03 = new Singleton_03();
    private Singleton_03(){

    }

    public static Singleton_03 getInstance(){
        return singleton03;
    }

}

3.6 使用类的内部类实现单例模式

描述： 这种方式既保证了线程安全，又保证了懒汉模式同时也不会因为加锁而降低性能，对静态域使用延迟初始化。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。这种方式同样利用了 classloader（类加载）机制来保证初始化 instance 时只有一个线程。

它跟饿汉式不同的是：饿汉式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到懒加载效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。

因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。

想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比饿汉式就显得很合理。

✅ 推荐理由：同时满足 线程安全、延迟加载、高性能 三大特性。

public class Singleton_04 {

    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton_04 singleton04 = new Singleton_04();
    }
    private Singleton_04(){

    }

    public static  Singleton_04 getInstance(){
        return SingletonHolder.singleton04;
    }
}

四、实现方式对比

实现方式对应类线程安全延迟加载性能是否推荐适用场景
静态类方式—✅❌高⚠️ 视情况全局常量、无状态工具类
懒汉式（不安全）Singleton_01❌✅高❌单线程环境（不推荐）
懒汉式（安全）Singleton_02✅✅低❌调用频率极低的场景
饿汉式Singleton_03✅❌高✅实例小、初始化快的场景
静态内部类Singleton_04✅✅高✅✅ 首选绝大多数单例场景
双重校验锁 DCLSingleton_05✅✅高✅✅需要延迟加载 + 可控性强的场景

五、总结与推荐

最佳实践建议

  1. 优先选择「静态内部类」方式（Singleton_04）：无需额外锁机制，实现简洁，同时满足线程安全、懒加载、高性能三大核心需求。

  2. 若实例占用资源极小：直接使用「饿汉式」（Singleton_03）即可，简单高效，JVM 层面保证线程安全。

  3. 若需要更精细的控制（如实例化过程复杂、需要传递参数等）：选择「双重校验锁 DCL」（Singleton_05），务必不要忘记 volatile 关键字。

  4. 永远不要使用：线程不安全的懒汉式（Singleton_01）和加锁粒度太大的 synchronized 懒汉式（Singleton_02）。

防破坏提示

即使实现了上述单例，仍有三种方式可能破坏单例，需要额外注意：

  • 反射攻击：通过反射调用私有构造器 → 可在构造器中加判断，第二次实例化时抛出异常
  • 序列化破坏：序列化后再反序列化会生成新对象 → 需实现 readResolve() 方法返回已有实例
  • 克隆破坏：实现 Cloneable 接口后调用 clone() → 重写 clone() 方法，直接返回已有实例
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贡献者: legend