Java 單例模式完整指南：餓漢、懶漢、登記式三大實現與結構解析

單例模式核心三要素

1. 某個類別只能有一個實例。
2. 必須自行建立這個實例。
3. 必須自行向整個系統提供這個實例。

所有客戶端共享同一單例物件，單例物件內部持有對自身的參考。

資源管理視角的單例應用

• 外部資源：印表機佇列、傳真卡、通訊埠——避免並發衝突。
• 內部資源：配置檔、訪客計數器、錯誤日誌、效能監控——集中管理，避免多頭馬車。

經典範例：Windows 回收站

整個視窗系統僅一個回收站實例，自行提供存取點，完美契合單例定義。

Java 中三種經典單例實現

1. 餓漢式單例 —— 推薦預設選擇

類別載入時靜態初始化實例，天然執行緒安全，程式碼最簡潔。

public final class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();
    private EagerSingleton() {}
    public static EagerSingleton getInstance() { return INSTANCE; }
}

優點：無同步開銷、實作簡單、類別載入機制保證安全。缺點：若實例建構耗時且從未使用，會浪費資源（但在 Java 中靜態初始化順序固定，比 C++ 更適合）。

2. 懶漢式單例 —— 延遲初始化

首次呼叫 getInstance() 時才建立實例，需處理多執行緒同步。

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

優點：按需建立。缺點：synchronized 導致每次呼叫皆同步，效能較差；若建構過程耗時，首次併發衝突機率大。

警告：切勿嘗試「雙重檢查鎖定」優化，在 Java 中不可靠，詳見後續章節附錄。

3. 登記式單例 —— 支援繼承的單例

GoF 提出，透過登錄表映射類別名稱到實例，允許子類別繼承並各自成為單例。父類別建構子為 protected，子類別建構子為 public（此為缺點，允許繞過登錄表直接實例化）。

public class RegSingleton {
    private static final Map REGISTRY = new HashMap<>();
    static {
        RegSingleton self = new RegSingleton();
        REGISTRY.put(self.getClass().getName(), self);
    }
    protected RegSingleton() {}
    public static RegSingleton getInstance(String name) {
        if (name == null) name = RegSingleton.class.getName();
        if (!REGISTRY.containsKey(name)) {
            try {
                REGISTRY.put(name, (RegSingleton) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (Exception e) { /* handle */ }
        }
        return REGISTRY.get(name);
    }
    public String about() { return "Hello, I am RegSingleton."; }
}

子類別範例：

public class RegSingletonChild extends RegSingleton {
    public RegSingletonChild() {}
    public static RegSingletonChild getInstance() {
        return (RegSingletonChild) RegSingleton.getInstance(RegSingletonChild.class.getName());
    }
    public String about() { return "Hello, I am RegSingletonChild."; }
}

登記式單例缺點總結

• 子類別建構子必須公開，破壞封裝。
• 父類別實例必須存在才能建立子類別實例，可能造成浪費。