設計模式 創建型 單例模式（Singleton Pattern）與 常見技術框架應用 解析

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單例模式（Singleton Pattern）是一種創建型設計模式，旨在確保某個類在應用程序的生命周期內只有一個實例，并提供一個全局訪問點來獲取該實例。這種設計模式在需要控制資源訪問、避免頻繁創建和銷毀對象的場景中尤為有用。

一、核心思想

單例模式的核心思想是限制類的實例化次數，確保整個應用程序中只有一個實例存在，并且這個實例可以被全局訪問。這通常通過私有化構造函數、提供一個靜態方法來獲取實例的方式實現。

  1. 唯一性：保證一個類在系統中只有一個實例。
  2. 控制訪問：提供一個全局訪問點來獲取該實例。
  3. 延遲初始化（可選）：實例化可以延遲到第一次使用時，以節省資源。
實現單例模式的關鍵要素：
  • 私有構造函數：防止外部通過new關鍵字創建新的實例。
  • 靜態方法或屬性：用于存儲和返回唯一的實例。
  • 線程安全：如果應用是多線程的，則需要確保在并發環境下也能正確工作。

二、定義與結構

定義：單例模式確保一個類只有一個實例，并提供一個全局訪問點來獲取該實例。

結構：

  • 單例類：負責創建和管理唯一的實例。
  • 靜態成員變量：用于保存唯一的實例引用。
  • 獲取實例方法：通常是一個靜態方法，用于返回唯一的實例。
  • 私有構造函數：防止外部通過構造函數創建多個實例。
角色
  • 單例類：包含私有構造函數、靜態成員變量和獲取實例的靜態方法。

三、實現步驟及代碼示例

以Java為例，單例模式的實現方式有多種，包括餓漢式、懶漢式、雙重檢查鎖定（Double-Checked Locking）和靜態內部類實現方式等。以下是幾種常見實現的代碼示例：

1、餓漢式

  • 特點：在類加載時就創建實例，沒有延遲加載的效果，但避免了多線程的同步問題。
  • 優點：線程安全，執行效率高。
  • 缺點：可能導致內存浪費，因為實例在類加載時就已創建，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() {// 防止反序列化時重新創建實例if (hungry != null) {throw new RuntimeException("請使用 HungrySingleton.getInstance() 方法獲取一個單例實例");}}public static HungrySingleton getInstance() {return hungry;}// 其他方法...
}

2、懶漢式（線程不安全）

  • 特點：按需加載，節省資源，只有在確實需要的時候才會創建實例。但存在線程安全問題。

  • 優點：延遲加載，提高了程序啟動的速度。

  • 缺點：在多線程環境下需要額外的同步機制來保證線程安全。

  • 線程不安全的懶漢式示例代碼：

public class LazySingleton {private static LazySingleton lazyMan;public LazySingleton() {// 構造函數可以為空或包含初始化代碼}public static LazySingleton getInstance() {if (lazyMan == null) {lazyMan = new LazySingleton();}return lazyMan;}// 其他方法...
}

上述代碼在多線程環境下可能會出現多個實例，因此線程不安全。

注意：懶漢式（線程不安全）在多線程環境下可能會導致多個實例被創建，因此通常不推薦使用。

3、雙重檢查鎖定（Double-Checked Locking）

線程安全的懶漢式示例代碼（雙重檢查鎖定）：

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關鍵字確保在多線程環境中正確處理，雙重檢查鎖定保證了線程安全和性能。

4、靜態內部類實現方式

  • 特點：利用Java的類加載機制實現延遲加載，線程安全且高效。

  • 優點：實現簡單，無需額外的同步機制。

  • 缺點：無法支持非靜態單例需求。

  • 示例代碼：

public class InnerClassSingleton {private InnerClassSingleton() {// 構造函數可以為空或包含初始化代碼}private static class Holder {private static final InnerClassSingleton INSTANCE = new InnerClassSingleton();}public static InnerClassSingleton getInstance() {return Holder.INSTANCE;}// 其他方法...
}

5、枚舉單例

  • 特點：實現簡單，線程安全，防止反射和序列化破壞。

  • 優點：最簡潔的實現方式，由Java語言本身保證線程安全性。

  • 缺點：不支持延遲加載。

  • 示例代碼：

public enum Singleton {INSTANCE;public void someMethod() {// 單例方法邏輯}
}

四、JavaScript中的單例模式實現

基本實現

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() {// ...業務邏輯...}
}// 使用示例
const instanceA = Singleton.getInstance();
const instanceB = Singleton.getInstance();console.log(instanceA === instanceB); // true

模塊模式下的單例

在JavaScript中，模塊本身就是一個天然的單例，因為每個模塊只會被加載一次。因此，可以利用ES6模塊來實現單例模式。

// singleton.js
const singleton = (() => {let privateState = {}; // 私有狀態function somePrivateMethod() {// 私有方法}return {publicMethod: function() {// 公共方法somePrivateMethod();},getPrivateState: function() {return privateState;}};
})();export default singleton;// 在其他文件中導入并使用
import singleton from './singleton';singleton.publicMethod();
console.log(singleton.getPrivateState());

線程安全的單例（適用于Node.js）

當涉及到多線程環境時，如Node.js worker_threads，可能需要確保線程安全。

class ThreadSafeSingleton {constructor() {if (!ThreadSafeSingleton.instance) {ThreadSafeSingleton.instance = this;}return ThreadSafeSingleton.instance;}static getInstance() {if (!this.instance) {// 如果是在多線程環境中，這里應該加入鎖機制// 例如使用Promise或其他同步機制來保證線程安全new this();}return this.instance;}someBusinessLogic() {// ...業務邏輯...}
}

使用立即執行函數表達式（IIFE）

這是一種經典的JavaScript單例實現方式，尤其是在不支持模塊化的舊版本瀏覽器中。

const singleton = (function () {const privateState = {}; // 私有狀態function privateMethod() {// 私有方法}return {publicMethod: function () {// 公共方法privateMethod();},getPrivateState: function () {return privateState;}};
})();

五、常見技術框架應用

在Spring框架中，單例模式也得到了廣泛應用。Spring容器默認創建的Bean是單例的，即在整個Spring IoC容器中，一個Bean只會有一個實例。以下是Spring中配置單例Bean的示例：

<bean id="myBean" class="com.example.MyBean" singleton="true"/>

或者，在基于注解的配置中，可以通過@Component或@Bean注解來定義Bean，并默認其為單例：

@Component
public class MyBean {// ...
}@Configuration
public class AppConfig {@Beanpublic MyBean myBean() {return new MyBean();}
}

六、應用場景

單例模式常用于以下場景：

  1. 日志記錄器：在整個應用程序中，通常只需要一個日志記錄器來記錄日志信息。
  2. 配置管理器：應用程序的配置信息通常只需要一個實例來管理，以確保配置的一致性。
  3. 數據庫連接池：為了有效地管理數據庫連接，避免頻繁地創建和銷毀連接，通常使用單例模式來創建數據庫連接池。
  4. 線程池：管理和復用線程，避免頻繁地創建和銷毀線程，提高系統性能。
  5. 全局計數器：在需要全局唯一的計數器時，可以使用單例模式。
  6. 購物車服務：在電子商務網站中，用戶的購物車應當是唯一的。
  7. 窗口管理器：圖形界面程序中，窗口管理器應確保只有一個實例來協調所有窗口的行為。

七、優缺點

優點：

  1. 延遲加載：只有在需要時才創建實例，節省資源。
  2. 全局訪問點：提供一個全局訪問對象的方式，方便在不同模塊和組件之間共享資源。
  3. 控制資源：在需要限制實例數量的場景下（如數據庫連接池、日志系統），單例模式能夠確保系統中只有一個實例在操作資源。

缺點：

  1. 線程安全問題：在多線程環境下，需要額外的同步機制來確保線程安全，可能會影響性能。
  2. 單例類的職責單一：單例模式通常要求單例類只承擔一個職責，否則可能會違背單一職責原則，導致代碼難以維護。

綜上所述，單例模式是一種非常有用的設計模式，在需要控制資源訪問和避免頻繁創建對象的場景中發揮著重要作用。然而，在使用時也需要注意其潛在的缺點，并根據具體場景選擇合適的實現方式。
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