Java 設計模式深度解析：單例模式

什麼是單例模式？

單例模式屬於創建型模式，定義為：確保一個類只有一個實例，且自行實例化並向整個系統提供這個實例。它是 23 種設計模式中最簡單、也是實務中最常用的一種。

核心三要素

1. private 建構子：防止外部 new。
2. private static 靜態引用：指向唯一實例。
3. public static 獲取方法：全局訪問入口。

兩種經典實現

餓漢式（類載入即實例化）

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() { return singleton; }
}

優點：線程安全、實現簡單。缺點：類載入即佔用記憶體，即使未使用。

懶漢式（首次調用才實例化）

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

優點：延遲載入。缺點：synchronized 影響性能（可用雙重檢查鎖優化，但需 volatile 修飾）。

優點與適用場景

• 記憶體中僅一個對象，節省空間。
• 避免頻繁創建/銷毀，提升性能。
• 避免共享資源多重佔用（如資料庫連接、配置管理）。
• 全局訪問便利。

典型場景：頻繁實例化銷毀的對象、創建耗時/耗資源的工具類、有狀態的工具類、頻繁訪問 DB/文件的對象。

五大避坑指南

1. 反射破壞：Constructor.setAccessible(true) 可繞過 private 建構子創建新實例。對策：建構子中檢測實例是否存在，拋異常阻止。
2. 序列化/反序列化：會產生新對象。對策：實現 readResolve() 返回現有實例。
3. 類加載器隔離：多類加載器環境下會產生多個單例。
4. 手動斷開引用：切勿將靜態引用設為 null。
5. 多線程共享資源：單例內部狀態操作需自行保證線程安全。

經典爭議話題

• JVM GC 會回收單例嗎？ HotSpot 1.6+ 中，除非人為斷開靜態引用，否則 GC 不會回收單例（因為 GC Roots 可達）。
• 同一 JVM 能有多個單例嗎？ 僅反射、序列化、多類加載器、分布式環境下可能。
• 懶漢式加 synchronized 線程安全嗎？ 安全，但性能損耗大；推薦雙重檢查鎖 + volatile 或靜態內部類寫法。
• 單例只能繼承嗎？ 餓漢/懶漢因 private 建構子不可繼承；登記式單例可繼承。
• 餓漢 vs 懶漢？ Java 推薦餓漢（類載入機制天然線程安全）；C++ 常用懶漢。

總結

單例模式簡單但坑深。實務中推薦靜態內部類或枚舉實現，兼顧線程安全、延遲載入、防反射/序列化破壞。切記：單例的核心是「受控唯一」，而非單純的「全局變量」。