Java 单例模式与 synchronized 的使用

在软件开发中，单例模式是一种常见的设计模式，主要用于确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在 Java 中实现单例模式时，线程安全是一个重要考虑因素。我们可以使用 synchronized 关键字来确保单例实例在多线程环境下的安全性。

什么是单例模式？

单例模式的核心是控制实例的创建，确保只有一个实例存在。它通常用于一些全局服务，比如数据库连接和配置管理等。

使用 synchronized 实现线程安全的单例

我们可以通过 synchronized 关键字来控制 single instance 的创建过程。以下是基础的实现方式：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    // 私有构造函数，防止外部类实例化
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

在以上代码中，getInstance 方法使用了 synchronized 关键字。这样保证了在多线程环境中，当一个线程在执行 getInstance 方法时，其他线程无法进入该方法，从而避免了多个实例的创建。

性能问题

虽然采用上述方法确保了线程安全，但 synchronized 会导致性能的下降，尤其是在多线程环境中。因为每次调用 getInstance 方法时，都需要进行同步。这对于大多数情况下并不常见的实例创建来说，效率较低。

优化：双重检查锁定

为了改善性能问题，我们可以采用“双重检查锁定”来优化该设计模式：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

在这里，我们首先检查 instance 是否为 null，如果是，则进入 synchronized 块，并在块内再次检查。这种方式可以减少加锁带来的性能损耗，大幅提高执行效率。

代码结构示意图

以下是 Singleton 类的结构示意图，借助于 mermaid 语法表示：

erDiagram
    Singleton {
        string instance
        +Singleton getInstance()
    }

总结

在 Java 中，单例模式的实现方法多种多样，但在多线程环境下使用 synchronized 关键字是一种有效保证线程安全的办法。虽然存在性能上的考虑，但通过双重检查锁定的方式能有效提高性能。

在实际应用中，选择合适的单例实现方式至关重要。对于大多数情况，建议根据应用场景进行选择和测试，以确保既满足功能需求，也满足性能要求。掌握这一模式，无疑将使您在开发多线程应用时更加得心应手。