哇喔！20 种单例模式的实现与变异总结

2024-11-13
北京
本文字数：6376 字
阅读完需：约 21 分钟

大家好，我是 V 哥。再聊到单例模式，你可能会说老掉牙的问题有啥值得讲的，可能还真有，笔试题上镜率极高的一道题还在考，你的回答如何能从网络上千遍一律的回答中脱颖而出，成为卷王，是不是得来点不一样的东西呢，这 20 种单例模式的实现与变异总结，也许可以让你有新的发现，收藏起来吧。

单例设计模式确保一个类在整个系统中只存在一个实例，通常用于全局访问的共享资源，如数据库连接、配置文件读取、线程池等。以下 V 哥总结的 20 种不同的实现，来看一下：

1. 饿汉式（Eager Initialization）

实现：在类加载时就创建单例实例，使用final和static关键字定义。
特点：线程安全；类加载时实例即创建，可能会导致不必要的内存占用。

public class SingletonEager {    private static final SingletonEager instance = new SingletonEager();    private SingletonEager() {}    public static SingletonEager getInstance() {        return instance;    }}

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2. 懒汉式（Lazy Initialization）

实现：在首次使用时才创建实例。
特点：延迟加载，节省资源；不是线程安全的，适合单线程环境。

public class SingletonLazy {    private static SingletonLazy instance;    private SingletonLazy() {}    public static SingletonLazy getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new SingletonLazy();        }        return instance;    }}

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3. 线程安全的懒汉式（Synchronized Lazy Initialization）

实现：在懒汉式基础上加入sychronized关键字，确保多线程环境的安全。
特点：线程安全，但加锁会影响性能。

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

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4. 双重检查锁（Double-Checked Locking）

实现：在获取实例时先判断是否为空，再加锁创建实例。
特点：在多线程情况下性能更高，线程安全；适合多线程环境。

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

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5. 静态内部类（Static Inner Class）

实现：利用类加载机制，延迟创建实例。
特点：线程安全，懒加载，效率高。

public class SingletonInnerClass {    private SingletonInnerClass() {}    private static class Holder {        private static final SingletonInnerClass INSTANCE = new SingletonInnerClass();    }    public static SingletonInnerClass getInstance() {        return Holder.INSTANCE;    }}

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6. 枚举单例（Enum Singleton）

实现：使用枚举类型实现单例，JVM 保证了线程安全。
特点：线程安全、防止反射和序列化破坏单例，是最佳实现方式之一。

public enum SingletonEnum {    INSTANCE;    public void someMethod() {        // some code    }}

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7. 使用容器实现单例（Container Singleton）

实现：使用容器（如 Map）存储类对象。
特点：适合管理多种类型的单例；实现复杂度增加，使用场景较特殊。

import java.util.HashMap;import java.util.Map;
public class SingletonContainer {    private static Map<String, Object> instanceMap = new HashMap<>();    private SingletonContainer() {}    public static void registerInstance(String key, Object instance) {        if (!instanceMap.containsKey(key)) {            instanceMap.put(key, instance);        }    }    public static Object getInstance(String key) {        return instanceMap.get(key);    }}

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除了常见的 7 种实现方式，还有几种不同的单例模式变体，适合更复杂的使用场景：

8. 线程本地单例（ThreadLocal Singleton）

实现：使用ThreadLocal变量保证每个线程有自己的单例实例。
特点：每个线程会有一个单例实例，不同线程之间的实例是独立的；适合线程隔离的数据，如数据库连接或特定线程的上下文信息。

public class SingletonThreadLocal {    private static final ThreadLocal<SingletonThreadLocal> threadLocalInstance =            ThreadLocal.withInitial(SingletonThreadLocal::new);
    private SingletonThreadLocal() {}
    public static SingletonThreadLocal getInstance() {        return threadLocalInstance.get();    }}

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9. CAS 实现的单例（CAS-based Singleton）

实现：利用java.util.concurrent.atomic.AtomicReference原子类实现无锁单例。
特点：通过 CAS 保证线程安全，性能较高；适合高并发场景，但代码稍复杂。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class SingletonCAS {    private static final AtomicReference<SingletonCAS> INSTANCE = new AtomicReference<>();
    private SingletonCAS() {}
    public static SingletonCAS getInstance() {        while (true) {            SingletonCAS current = INSTANCE.get();            if (current != null) {                return current;            }            current = new SingletonCAS();            if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) {                return current;            }        }    }}

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10. 枚举双重锁单例（Enum Holder with DCL）

实现：结合Enum的延迟加载特性与双重检查锁来实现。
特点：利用Enum保证单例的序列化安全，结合 DCL 提高性能。适合对高性能和安全性要求极高的场景。

public class SingletonEnumDCL {    private SingletonEnumDCL() {}
    private enum Holder {        INSTANCE;        private final SingletonEnumDCL instance = new SingletonEnumDCL();    }
    public static SingletonEnumDCL getInstance() {        return Holder.INSTANCE.instance;    }}

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11. 注册表式单例（Registry Singleton）

实现：通过注册表（如HashMap）集中管理多个不同类型的单例实例。
特点：适合多单例实例的场景，类似于容器模式；复杂性较高，适合复杂的依赖管理系统。

import java.util.Map;import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class SingletonRegistry {    private static final Map<String, Object> registry = new ConcurrentHashMap<>();
    private SingletonRegistry() {}
    public static void registerSingleton(String key, Object instance) {        registry.putIfAbsent(key, instance);    }
    public static Object getSingleton(String key) {        return registry.get(key);    }}

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12. Bill Pugh 单例（Bill Pugh Singleton）

实现：通过静态内部类加载实例。
特点：一种特殊的静态内部类实现，解决了饿汉式和懒汉式的缺点；线程安全、高效、延迟加载。

public class SingletonBillPugh {    private SingletonBillPugh() {}
    private static class SingletonHelper {        private static final SingletonBillPugh INSTANCE = new SingletonBillPugh();    }
    public static SingletonBillPugh getInstance() {        return SingletonHelper.INSTANCE;    }}

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13. 反射防护单例（Reflection Proof Singleton）

实现：通过枚举或特殊处理反射的方式来防止反射破坏单例。
特点：保护单例不被反射攻击破坏，适合安全性要求较高的场景。

public class SingletonReflectionProof {    private static final SingletonReflectionProof INSTANCE = new SingletonReflectionProof();
    private SingletonReflectionProof() {        if (INSTANCE != null) {            throw new IllegalStateException("Instance already created!");        }    }
    public static SingletonReflectionProof getInstance() {        return INSTANCE;    }}

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14. 资源管理单例（Resource Management Singleton）

实现：在类的finalize方法中释放资源或做额外处理。
特点：确保系统资源不会被过多实例浪费，适合资源有限的情况。

public class SingletonResource {    private static final SingletonResource INSTANCE = new SingletonResource();        private SingletonResource() {        // 初始化资源    }
    public static SingletonResource getInstance() {        return INSTANCE;    }
    @Override    protected void finalize() throws Throwable {        super.finalize();        // 释放资源    }}

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除了以上列出的常见单例模式实现方式，还有一些变种实现和特殊情况的单例设计。

下面介绍一些更高级的实现方式

15. 接口代理单例（Interface Proxy Singleton）

实现：通过动态代理生成单例实例，控制对单例对象的访问。
特点：适用于复杂的业务场景，可以在代理中加入权限控制、日志等额外逻辑。

import java.lang.reflect.InvocationHandler;import java.lang.reflect.Method;import java.lang.reflect.Proxy;
public class SingletonProxy {    private static final MySingletonInterface INSTANCE =         (MySingletonInterface) Proxy.newProxyInstance(            MySingletonInterface.class.getClassLoader(),            new Class[]{MySingletonInterface.class},            new SingletonHandler(new MySingleton())        );
    private SingletonProxy() {}
    public static MySingletonInterface getInstance() {        return INSTANCE;    }
    private static class SingletonHandler implements InvocationHandler {        private final MySingleton instance;
        public SingletonHandler(MySingleton instance) {            this.instance = instance;        }
        @Override        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {            // 可以在这里加入权限控制、日志等            return method.invoke(instance, args);        }    }}
interface MySingletonInterface {    void doSomething();}
class MySingleton implements MySingletonInterface {    @Override    public void doSomething() {        System.out.println("Doing something...");    }}

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16. Service Locator 单例（Service Locator Singleton）

实现：Service Locator 模式是一种设计模式，通过注册中心管理单例对象，避免直接依赖实例，便于松耦合和模块化。
特点：更适合用于依赖注入和模块间解耦场景，适用于复杂系统中的组件管理。

import java.util.HashMap;import java.util.Map;
public class ServiceLocator {    private static final Map<Class<?>, Object> services = new HashMap<>();
    private ServiceLocator() {}
    public static <T> void registerService(Class<T> serviceClass, T instance) {        services.put(serviceClass, instance);    }
    @SuppressWarnings("unchecked")    public static <T> T getService(Class<T> serviceClass) {        return (T) services.get(serviceClass);    }}

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17. 对象池单例（Object Pool Singleton）

实现：使用对象池模式，创建有限数量的单例对象，并在对象使用完毕后进行复用。
特点：在需要复用固定数量资源时非常有效，如数据库连接池、线程池等。

import java.util.Queue;import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
public class SingletonObjectPool {    private static final int POOL_SIZE = 5;    private static final Queue<SingletonObjectPool> pool = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    static {        for (int i = 0; i < POOL_SIZE; i++) {            pool.add(new SingletonObjectPool());        }    }
    private SingletonObjectPool() {}
    public static SingletonObjectPool getInstance() {        SingletonObjectPool instance = pool.poll();        if (instance == null) {            instance = new SingletonObjectPool();        }        return instance;    }
    public void release() {        pool.offer(this);    }}

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18. 克隆防御单例（Clone-Proof Singleton）

实现：通过覆盖clone方法，防止克隆破坏单例模式。
特点：保证单例对象无法通过克隆创建额外实例，防止了反射破坏单例的风险。

public class SingletonCloneProof implements Cloneable {    private static final SingletonCloneProof INSTANCE = new SingletonCloneProof();
    private SingletonCloneProof() {}
    public static SingletonCloneProof getInstance() {        return INSTANCE;    }
    @Override    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {        throw new CloneNotSupportedException("Cannot clone singleton instance");    }}

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19. 定时刷新单例（Time-Based Singleton Refresh）

实现：在指定时间或条件下重新创建单例对象，通常用于缓存或短期需要重新加载的对象。
特点：适合数据或配置需要定期更新的情况，确保每个时间段获得最新的单例实例。

public class SingletonTimeBased {    private static SingletonTimeBased instance;    private static long lastCreatedTime = System.currentTimeMillis();    private static final long REFRESH_INTERVAL = 30000; // 30 seconds
    private SingletonTimeBased() {}
    public static synchronized SingletonTimeBased getInstance() {        if (instance == null || System.currentTimeMillis() - lastCreatedTime > REFRESH_INTERVAL) {            instance = new SingletonTimeBased();            lastCreatedTime = System.currentTimeMillis();        }        return instance;    }}

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20. 弱引用单例（Weak Reference Singleton）

实现：使用WeakReference包装单例对象，允许 Java 垃圾收集器在内存不足时回收该对象。
特点：适合内存敏感的场景，减少长时间未使用对象的内存占用，但对象可能会在不经意间被 GC 回收。

import java.lang.ref.WeakReference;
public class SingletonWeakReference {    private static WeakReference<SingletonWeakReference> instanceRef;
    private SingletonWeakReference() {}
    public static synchronized SingletonWeakReference getInstance() {        SingletonWeakReference instance = (instanceRef == null) ? null : instanceRef.get();        if (instance == null) {            instance = new SingletonWeakReference();            instanceRef = new WeakReference<>(instance);        }        return instance;    }}

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最后

这些变种和扩展可以用来应对不同的使用场景，从安全性到性能需求再到资源管理需求。根据特定需求，可以选择或定制合适的单例实现方式。关注威哥爱编程，编程乐无边。

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/f1235d3bfed627d1845ade907】。

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14. 资源管理单例（Resource Management Singleton）

下面介绍一些更高级的实现方式

15. 接口代理单例（Interface Proxy Singleton）

16. Service Locator 单例（Service Locator Singleton）

17. 对象池单例（Object Pool Singleton）

18. 克隆防御单例（Clone-Proof Singleton）

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