当前位置: 首页 > news >正文

设计模式 创建型 单例模式(Singleton Pattern)与 常见技术框架应用 解析

在这里插入图片描述

单例模式是一种创建型设计模式,旨在确保某个类在应用程序的生命周期内只有一个实例,并提供一个全局访问点来获取该实例。这种设计模式在需要控制资源访问、避免频繁创建和销毁对象的场景中尤为有用。

一、核心思想

单例模式的核心思想是限制类的实例化次数,确保整个应用程序中只有一个实例存在,并且这个实例可以被全局访问。这通常通过私有化构造函数、提供一个静态方法来获取实例的方式实现。

  1. 唯一性:保证一个类在系统中只有一个实例。
  2. 控制访问:提供一个全局访问点来获取该实例。
  3. 延迟初始化(可选):实例化可以延迟到第一次使用时,以节省资源。
实现单例模式的关键要素:
  • 私有构造函数:防止外部通过new关键字创建新的实例。
  • 静态方法或属性:用于存储和返回唯一的实例。
  • 线程安全:如果应用是多线程的,则需要确保在并发环境下也能正确工作。

二、定义与结构

定义:单例模式确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点来获取该实例。

结构

  • 单例类:负责创建和管理唯一的实例。
  • 静态成员变量:用于保存唯一的实例引用。
  • 获取实例方法:通常是一个静态方法,用于返回唯一的实例。
  • 私有构造函数:防止外部通过构造函数创建多个实例。
角色
  • 单例类:包含私有构造函数、静态成员变量和获取实例的静态方法。

三、实现步骤及代码示例

以Java为例,单例模式的实现方式有多种,包括饿汉式、懒汉式、双重检查锁定(Double-Checked Locking)和静态内部类实现方式等。以下是几种常见实现的代码示例:

1、饿汉式

  • 特点:在类加载时就创建实例,没有延迟加载的效果,但避免了多线程的同步问题。
  • 优点:线程安全,执行效率高。
  • 缺点:可能导致内存浪费,因为实例在类加载时就已创建,即使未使用。
public class HungrySingleton implements Serializable {private static final long serialVersionUID = 1L;private static final HungrySingleton hungry = new HungrySingleton();private HungrySingleton() {// 防止反序列化时重新创建实例if (hungry != null) {throw new RuntimeException("请使用 HungrySingleton.getInstance() 方法获取一个单例实例");}}public static HungrySingleton getInstance() {return hungry;}// 其他方法...
}

2、懒汉式(线程不安全)

  • 特点:按需加载,节省资源,只有在确实需要的时候才会创建实例。但存在线程安全问题。

  • 优点:延迟加载,提高了程序启动的速度。

  • 缺点:在多线程环境下需要额外的同步机制来保证线程安全。

  • 线程不安全的懒汉式示例代码:

public class LazySingleton {private static LazySingleton lazyMan;public LazySingleton() {// 构造函数可以为空或包含初始化代码}public static LazySingleton getInstance() {if (lazyMan == null) {lazyMan = new LazySingleton();}return lazyMan;}// 其他方法...
}

上述代码在多线程环境下可能会出现多个实例,因此线程不安全。

注意:懒汉式(线程不安全)在多线程环境下可能会导致多个实例被创建,因此通常不推荐使用。

3、双重检查锁定(Double-Checked Locking)

线程安全的懒汉式示例代码(双重检查锁定):

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

使用volatile关键字确保在多线程环境中正确处理,双重检查锁定保证了线程安全和性能。

4、静态内部类实现方式

  • 特点:利用Java的类加载机制实现延迟加载,线程安全且高效。

  • 优点:实现简单,无需额外的同步机制。

  • 缺点:无法支持非静态单例需求。

  • 示例代码:

public class InnerClassSingleton {private InnerClassSingleton() {// 构造函数可以为空或包含初始化代码}private static class Holder {private static final InnerClassSingleton INSTANCE = new InnerClassSingleton();}public static InnerClassSingleton getInstance() {return Holder.INSTANCE;}// 其他方法...
}

5、枚举单例

  • 特点:实现简单,线程安全,防止反射和序列化破坏。

  • 优点:最简洁的实现方式,由Java语言本身保证线程安全性。

  • 缺点:不支持延迟加载。

  • 示例代码:

public enum Singleton {INSTANCE;public void someMethod() {// 单例方法逻辑}
}

四、JavaScript中的单例模式实现

基本实现
class Singleton {constructor() {if (typeof Singleton.instance === 'object') {return Singleton.instance;}Singleton.instance = this;}static getInstance() {if (!this.instance) {new this();}return this.instance;}someBusinessLogic() {// ...业务逻辑...}
}// 使用示例
const instanceA = Singleton.getInstance();
const instanceB = Singleton.getInstance();console.log(instanceA === instanceB); // true
模块模式下的单例

在JavaScript中,模块本身就是一个天然的单例,因为每个模块只会被加载一次。因此,可以利用ES6模块来实现单例模式。

// singleton.js
const singleton = (() => {let privateState = {}; // 私有状态function somePrivateMethod() {// 私有方法}return {publicMethod: function() {// 公共方法somePrivateMethod();},getPrivateState: function() {return privateState;}};
})();export default singleton;// 在其他文件中导入并使用
import singleton from './singleton';singleton.publicMethod();
console.log(singleton.getPrivateState());
线程安全的单例(适用于Node.js)

当涉及到多线程环境时,如Node.js worker_threads,可能需要确保线程安全。

class ThreadSafeSingleton {constructor() {if (!ThreadSafeSingleton.instance) {ThreadSafeSingleton.instance = this;}return ThreadSafeSingleton.instance;}static getInstance() {if (!this.instance) {// 如果是在多线程环境中,这里应该加入锁机制// 例如使用Promise或其他同步机制来保证线程安全new this();}return this.instance;}someBusinessLogic() {// ...业务逻辑...}
}
使用立即执行函数表达式(IIFE)

这是一种经典的JavaScript单例实现方式,尤其是在不支持模块化的旧版本浏览器中。

const singleton = (function () {const privateState = {}; // 私有状态function privateMethod() {// 私有方法}return {publicMethod: function () {// 公共方法privateMethod();},getPrivateState: function () {return privateState;}};
})();

五、常见技术框架应用代码示例

在Spring框架中,单例模式也得到了广泛应用。Spring容器默认创建的Bean是单例的,即在整个Spring IoC容器中,一个Bean只会有一个实例。以下是Spring中配置单例Bean的示例:

<bean id="myBean" class="com.example.MyBean" singleton="true"/>

或者,在基于注解的配置中,可以通过@Component@Bean注解来定义Bean,并默认其为单例:

@Component
public class MyBean {// ...
}@Configuration
public class AppConfig {@Beanpublic MyBean myBean() {return new MyBean();}
}

六、应用场景

单例模式常用于以下场景:

  1. 日志记录器:在整个应用程序中,通常只需要一个日志记录器来记录日志信息。
  2. 配置管理器:应用程序的配置信息通常只需要一个实例来管理,以确保配置的一致性。
  3. 数据库连接池:为了有效地管理数据库连接,避免频繁地创建和销毁连接,通常使用单例模式来创建数据库连接池。
  4. 线程池:管理和复用线程,避免频繁地创建和销毁线程,提高系统性能。
  5. 全局计数器:在需要全局唯一的计数器时,可以使用单例模式。
  6. 购物车服务:在电子商务网站中,用户的购物车应当是唯一的。
  7. 窗口管理器:图形界面程序中,窗口管理器应确保只有一个实例来协调所有窗口的行为。

七、优缺点

优点

  • 延迟加载:只有在需要时才创建实例,节省资源。
  • 全局访问点:提供一个全局访问对象的方式,方便在不同模块和组件之间共享资源。
  • 控制资源:在需要限制实例数量的场景下(如数据库连接池、日志系统),单例模式能够确保系统中只有一个实例在操作资源。

缺点

  • 线程安全问题:在多线程环境下,需要额外的同步机制来确保线程安全,可能会影响性能。
  • 单例类的职责单一:单例模式通常要求单例类只承担一个职责,否则可能会违背单一职责原则,导致代码难以维护。

综上所述,单例模式是一种非常有用的设计模式,在需要控制资源访问和避免频繁创建对象的场景中发挥着重要作用。然而,在使用时也需要注意其潜在的缺点,并根据具体场景选择合适的实现方式。
在这里插入图片描述


http://www.mrgr.cn/news/82119.html

相关文章:

  • 用python编写一个放烟花的小程序
  • LeetCode算法题——移除元素
  • Linux-Redis哨兵搭建
  • 通过 4 种方式快速将音乐从 iPod 传输到 Android
  • 数据结构与算法之动态规划: LeetCode 62. 不同路径 (Ts版)
  • 如何用CSS3创建圆角矩形并居中显示?
  • 点跟踪基准最早的论文学习解读:TAP-Vid: A Benchmark for Tracking Any Point in a Video—前置基础
  • win32汇编环境下,双击窗口程序内生成的listview列表控件的某行,并提取其内容的示例程序
  • 溢出概念总结
  • 基于深度学习的视觉检测小项目(二) 环境和框架搭建
  • MIT Cheetah 四足机器人的动力学及算法 (I) —— 简化动力学模型
  • GeekPad 连接到VirtualBox的Ubuntu虚拟机上的Home-Assistant
  • win32汇编环境下,窗口程序中生成listview列表控件及显示
  • 使用Clion在ubuntu上进行交叉编译,并在Linux上远程编译五子棋
  • UE5 Debug的一些心得
  • 商汤C++开发面试题及参考答案
  • Enum枚举类与静态变量和静态数组的区别
  • 单片机-LED实验
  • Edge如何获得纯净的启动界面
  • 线段树保姆级教程
  • CT 扫描显示 USB-C 电缆可能隐藏复杂的恶意硬件
  • 【paddle】初次尝试
  • C++新特性||线程协程
  • 论文实现:Reactive Nonholonomic Trajectory Generation via Parametric Optimal Control
  • 算法-判断快乐数
  • Scrapy和Selenium结合使用完整步骤