GoF 設計模式精講（一）：單例模式的五種實現與最佳選型指南

單例模式核心使命

確保一個類在全局範圍內僅有一個實例，並提供一個全局訪問點獲取該實例。

典型應用場景

• Windows 任務管理器
• 專案配置文件讀取
• 資料庫連接池（連接屬稀缺資源）
• 作業系統文件管理系統
• Application 上下文（Servlet/Android）
• Spring 容器中 Bean 默認單例
• Servlet 實例、Spring MVC/Struts1 控制器

優勢分析

• 降低系統開銷：對象創建成本高（如讀取配置、初始化依賴）時，啟動時創建單例長駐記憶體。
• 優化共享資源訪問：提供全局訪問點，如設計單例類管理所有數據表映射。

五種經典實現方式詳解

1. 餓漢式

特點：類加載時立即實例化，線程安全，調用效率高，但無法延遲加載。

public class Singleton01 {
    private static Singleton01 instance = new Singleton01();
    private Singleton01() {}
    public static Singleton01 getInstance() { return instance; }
}

靜態變量在類加載時初始化，JVM 保證只加載一次，天然線程安全。缺點：若類被加載但未使用，造成資源浪費。

2. 懶漢式

特點：首次調用時創建，延遲加載，但同步鎖導致併發效率低。

public class Singleton02 {
    private static Singleton02 instance = null;
    private Singleton02() {}
    public static synchronized Singleton02 getInstance() {
        if (instance == null) instance = new Singleton02();
        return instance;
    }
}

3. 雙重檢查鎖

特點：嘗試兼顧延遲加載與高併發，但因 JVM 指令重排序可能導致問題，不推薦使用（除非加 volatile）。

public class Singleton03 {
    private volatile static Singleton03 instance = null;
    private Singleton03() {}
    public static Singleton03 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton03.class) {
                if (instance == null) instance = new Singleton03();
            }
        }
        return instance;
    }
}

4. 靜態內部類式

特點：推薦使用。線程安全、調用效率高、實現延遲加載，完美結合餓漢與懶漢優點。

public class Singleton04 {
    private Singleton04() {}
    public static Singleton04 getInstance() { return Inner.instance; }
    private static class Inner {
        private static final Singleton04 instance = new Singleton04();
    }
}

外部類無靜態屬性，不會在加載時實例化；調用 getInstance 時才加載內部類，類加載過程線程安全；static final 保證唯一實例。

5. 枚舉單例

特點：實現最簡潔，JVM 根本層面保證單例，天然防反射與序列化破壞，但無延遲加載。

public enum Singleton05 {
    INSTANCE;
    public void operation() { /* 業務邏輯 */ }
}

選型決策指南

• 資源佔用小、無需延遲加載：枚舉 > 餓漢式
• 資源佔用大、需延遲加載：靜態內部類 > 懶漢式

安全漏洞與防範

• 反射破壞（除枚舉外）：構造器中手動拋出異常防禦。
• 序列化破壞（除枚舉外）：實現 readResolve() 返回原實例。