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揭秘单例模式：功能分类与实战解析

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单例模式（Singleton Pattern）是设计模式中的一种，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。这种模式在软件工程中被广泛使用，特别是在那些需要确保只有一个对象存在，或者需要节省资源的情况下。本文将详细介绍单例模式的功能分类及其实战解析。

单例模式的功能分类

1. 资源控制

单例模式常用于控制对某种资源的访问。例如，数据库连接池、文件操作对象等，由于资源有限，确保只有一个实例可以减少资源的浪费。

2. 避免全局变量

在面向对象编程中，全局变量通常是不推荐的。单例模式可以提供一个类似全局变量的功能，同时又保持了封装性。

3. 系统环境配置

系统级别的配置信息，如系统参数、配置文件等，可以使用单例模式来管理，以确保全局配置的一致性。

4. 缓存实现

单例模式适用于实现缓存机制，如LRU（最近最少使用）缓存，确保整个应用程序只有一个缓存实例。

单例模式的实现方式

1. 饿汉式单例

饿汉式单例是在类加载时就完成实例化，保证只有一个实例存在。这种方式简单，但是会占用一定的内存资源。

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

2. 懒汉式单例

懒汉式单例是在真正需要使用时才进行实例化。这种方式可以节省内存资源，但是可能会引起线程安全问题。

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

3. 双重校验锁单例

双重校验锁单例结合了懒汉式和同步方法的优势，解决了线程安全问题。

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

4. 静态内部类单例

静态内部类单例利用了类加载机制保证了单例的唯一性，并且避免了同步带来的性能损耗。

public class StaticInnerClassSingleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerClassSingleton INSTANCE = new StaticInnerClassSingleton();
    }
    private StaticInnerClassSingleton() {}
    public static final StaticInnerClassSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

单例模式的实战解析

以下是一个使用单例模式实现的数据库连接池的例子：

public class DatabaseConnectionPool {
    private static DatabaseConnectionPool instance;
    private static List<Connection> connections;
    private DatabaseConnectionPool() {
        connections = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            connections.add(createConnection());
        }
    }
    private Connection createConnection() {
        // 创建数据库连接
        return DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/database", "username", "password");
    }
    public static DatabaseConnectionPool getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (DatabaseConnectionPool.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DatabaseConnectionPool();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    public Connection getConnection() {
        // 从连接池中获取连接
        return connections.get(0);
    }
}

在这个例子中，DatabaseConnectionPool 类负责管理数据库连接。它使用双重校验锁单例模式确保只有一个实例，并且提供了连接池的功能。

总结，单例模式是一种简单而强大的设计模式，可以用于控制资源访问、避免全局变量、管理系统配置和实现缓存等功能。在实战中，应根据具体需求选择合适的单例模式实现方式。

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