Java 設計模式精講：單例模式與簡單工廠模式深度解析

單例模式

核心意圖

確保一個類別在全域僅有一個實例，並提供全域存取點。適用於日誌記錄器、配置管理器、資料庫連線池、執行緒池等場景。

兩種經典實現

1. 餓漢式（類載入時建立）

public final class Singleton {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    private Singleton() {} // 私有建構子
    public static Singleton getInstance() { return INSTANCE; }
}

• 優點：簡單、線程安全（JVM 類載入機制保證）、無同步開銷。
• 缺點：若實例從未使用仍會建立，浪費記憶體；無法處理建構子拋出的異常。

2. 懶漢式（雙重檢查鎖定 DCL）

public final class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {                  // 第一次檢查
            synchronized (Singleton.class) {     // 鎖定
                if (instance == null)            // 第二次檢查
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

• volatile 禁止指令重排，確保其他執行緒看到完全初始化的物件。
• 優點：延遲載入、線程安全、效能較好（僅首次同步）。
• 缺點：代碼稍複雜；若被不同類載入器載入，仍可能產生多實例。

進階話題

• 序列化破壞單例：實作 readResolve() 返回唯一實例。
• 反射攻擊：建構子中拋出異常阻止第二次實例化。
• 枚舉單例（推薦）：public enum Singleton { INSTANCE; } 天然防序列化/反射破壞，簡潔安全。

簡單工廠模式

核心意圖

由一個工廠類別根據傳入參數決定建立哪個具體產品類別，封裝物件建立細節，客戶端僅面向抽象產品介面。

結構角色

• Product（抽象產品）：定義產品介面。
• ConcreteProduct（具體產品）：實作介面。
• Factory（工廠）：含建立邏輯的靜態方法或實例方法。

代碼範例：圖形繪製

interface Shape { void draw(); }
class Circle implements Shape { public void draw() { System.out.println("畫圓"); } }
class Rectangle implements Shape { public void draw() { System.out.println("畫矩形"); } }

class ShapeFactory {
    public static Shape create(String type) {
        switch (type.toLowerCase()) {
            case "circle": return new Circle();
            case "rect": return new Rectangle();
            default: throw new IllegalArgumentException("未知形狀: " + type);
        }
    }
}

// 客戶端
Shape s = ShapeFactory.create("circle");
s.draw(); // 輸出：畫圓

優缺點與演進

當產品族固定、變動少時適用；頻繁擴展產品類型請改用工廠方法模式或抽象工廠模式。

總結對比