1. 引言
1.1 什么是單例模式？
單例模式（Singleton Pattern）是一種創建型設計模式，它確保一個類只有一個實例，并提供一個全局訪問點。
核心思想：控制實例化過程，避免重復創建對象。
1.2 為什么需要單例模式？
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節省資源：某些對象（如數據庫連接池、日志管理器）只需要一個實例。
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全局訪問：方便在多個模塊中共享數據。
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避免沖突：如配置文件管理，防止多個實例修改導致不一致。
1.3 線程安全的重要性
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多線程環境下，如果不加控制，可能導致：
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創建多個實例（違反單例原則）。
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對象狀態不一致（如緩存數據被覆蓋）。
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目標：確保在任何情況下，單例類只被初始化一次。
2. 單例模式的實現方式
2.1 餓漢式（Eager Initialization）
代碼實現
public class Singleton {// 類加載時就初始化（線程安全由JVM保證）private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();// 私有構造方法，防止外部newprivate Singleton() {}// 全局訪問點public static Singleton getInstance() {return INSTANCE;}
}特點
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優點：
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實現簡單，線程安全（由類加載機制保證）。
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沒有鎖，性能高。
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缺點：
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即使不用也會創建實例，可能浪費內存。
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無法傳遞參數初始化（如需要動態配置）。
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適用場景
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實例占用內存小，且一定會被使用（如簡單配置類）。
2.2 懶漢式（Lazy Initialization）
基礎版（非線程安全）
public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton(); // 多線程下可能創建多個實例}return instance;}
}問題：多線程環境下，多個線程可能同時進入?if (instance == null)，導致多次實例化。
加鎖版（線程安全但低效）
public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}// 方法加鎖，保證線程安全public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}問題：每次調用?getInstance()?都會加鎖，性能差（99%的情況不需要同步）。
2.3 雙重檢查鎖（Double-Checked Locking, DCL）
代碼實現
public class Singleton {// volatile 禁止指令重排序，避免半初始化問題private static volatile Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) { // 第一次檢查（無鎖，提高性能）synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) { // 第二次檢查（防止多線程競爭）instance = new Singleton();}}}return instance;}
}關鍵點
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volatile?的作用：-
防止指令重排序（避免返回未初始化的對象）。
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保證可見性（一個線程修改后，其他線程立即可見）。
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兩次判空：
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第一次檢查（無鎖）：提高性能，避免每次加鎖。
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第二次檢查（加鎖）：防止多線程競爭導致多次實例化。
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優點
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線程安全?+?高性能（只有第一次初始化需要同步）。
缺點
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代碼稍復雜，需理解?
volatile?和指令重排序。
2.4 靜態內部類（Holder Class）
代碼實現
public class Singleton {private Singleton() {}// 靜態內部類（延遲加載）private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}public static Singleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE; // 調用時才加載}
}原理
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類加載機制：
SingletonHolder?只有在?getInstance()?被調用時才會加載。 -
線程安全：由 JVM 保證靜態內部類的初始化是線程安全的。
優點
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線程安全 + 延遲加載 + 無鎖高性能。
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比雙重檢查鎖更簡潔。
缺點
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無法傳遞參數初始化（適合無參構造）。
2.5 枚舉（Enum Singleton）
代碼實現
public enum Singleton {INSTANCE; // 單例實例public void doSomething() {System.out.println("Singleton method");}
}原理
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JVM 保證枚舉唯一性：枚舉實例在類加載時初始化，且不可反射創建。
優點
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絕對線程安全（JVM 保證）。
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防止反射攻擊（無法通過反射創建新實例）。
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防止反序列化破壞（枚舉天然支持?
readResolve）。
缺點
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不能延遲加載（類加載時就初始化）。
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寫法稍特殊（部分開發者不習慣）。
3. 如何選擇單例模式？
| 實現方式 | 線程安全 | 延遲加載 | 防止反射 | 防止反序列化 | 性能 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 餓漢式 | ? | ? | ? | ? | ??? | 簡單場景 |
| 懶漢式（同步） | ? | ? | ? | ? | ? | 不推薦 |
| 雙重檢查鎖 | ? | ? | ? | ? | ??? | 高并發 |
| 靜態內部類 | ? | ? | ? | ? | ??? | 推薦 |
| 枚舉 | ? | ? | ? | ? | ??? | 最佳實踐 |
推薦選擇：
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簡單場景?→ 餓漢式。
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需要延遲加載?→ 靜態內部類。
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高并發 + 參數初始化?→ 雙重檢查鎖。
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最佳實踐?→?枚舉單例（安全、簡潔）。
4. 單例模式的破壞與防御
4.1 反射攻擊
問題
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
// 反射調用私有構造方法
Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
Singleton instance2 = constructor.newInstance(); // 破壞單例防御（非枚舉類）
private Singleton() {if (INSTANCE != null) {throw new RuntimeException("Use getInstance() method!");}
}枚舉天然防御反射（JVM 保證唯一性）。
4.2 反序列化破壞
問題
// 序列化
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton.ser"));
oos.writeObject(Singleton.getInstance());
// 反序列化（會調用readObject，可能創建新實例）
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("singleton.ser"));
Singleton instance2 = (Singleton) ois.readObject(); // 可能破壞單例防御（非枚舉類）
// 添加readResolve方法，返回單例實例
protected Object readResolve() {return getInstance();
}枚舉天然防御反序列化（JVM 保證唯一性）。
5. 總結
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線程安全是關鍵：多線程環境下必須保證單例唯一。
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推薦實現：
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枚舉單例（簡潔、安全、防反射）。
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靜態內部類（延遲加載、高性能）。
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雙重檢查鎖（適合需要參數初始化的場景）。
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避免：
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不加鎖的懶漢式（線程不安全）。
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方法級同步懶漢式（性能差）。
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