请详细解释单例模式的工作原理及常见实现方式

面试题目

单例模式是面向对象编程中的一种设计模式，用于确保类只有一个实例存在。请详细解释单例模式的工作原理及常见实现方式。

岗位分析与经验要求

初级：理解基本的程序概念和面向对象的设计原则，具备一定的Java基础。能理解和使用单例模式的概念，并能够简单描述其工作原理和常见用法。

中级：具有良好的编程实践经验和架构设计知识。能够在项目中应用单例模式解决实际问题，同时能够评估并对比不同实现方式的优势与劣势。

高级：深入理解单例模式在系统级、框架级的应用场景及优化方案，具备代码重构经验，能根据特定需求调整和扩展单例模式以满足复杂业务逻辑或性能要求。

面试官心理分析：

面试官通常希望看到候选人能够清晰地解释编程概念，并且提供实际应用场景。他们也可能会询问关于模式的优缺点、适用场景、与其他设计模式的关系以及如何在代码审查中识别正确的使用方式。

考察重点

1. 了解单例模式的基本概念和实现机制。
2. 能够举例说明何时应用单例模式及为什么选择这种方式。
3. 理解单例模式在多线程环境中的潜在问题，例如“双重检查锁定”（Double-Checked Locking）和“静态内部类方法”，并解释其优劣。
4. 分析不同实现方式的代码示例，并比较它们的优缺点。

参考答案

1. 经典单例模式：通过将构造函数设置为私有，确保类外部无法实例化对象。在类中创建一个静态成员变量指向单例实例，并提供一个公共方法（通常是静态方法）来获取这个实例。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    // 私有构造函数以防止外部实例化
    private Singleton() {}

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

2. 懒汉式单例模式（线程不安全）：在类加载时创建实例，通过静态方法返回该实例。

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;

    // 私有构造函数以防止外部实例化
    private LazySingleton() {}

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

3. 双重检查锁定（线程安全的懒加载）：在初始化方法中使用 volatile 关键字确保线程间的可见性，并加上 synchronized 锁来避免死锁。

public class DoubleCheckedSingleton {
    private static DoubleCheckedSingleton instance;

    // 私有构造函数以防止外部实例化
    private DoubleCheckedSingleton() {}

    public static DoubleCheckedSingleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查（确保未初始化）
            synchronized (DoubleCheckedSingleton.class) { // 智能锁，避免不必要的锁竞争
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new DoubleCheckedSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

4. 静态内部类（线程安全）：在类加载时初始化单例实例，并提供公共静态方法返回该实例。

public class StaticInnerClassSingleton {
    private static class SingletonHolder {
        public static StaticInnerClassSingleton instance = new StaticInnerClassSingleton();
    }

    // 私有构造函数以防止外部实例化
    private StaticInnerClassSingleton() {}

    public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

5. 枚举（线程安全且高效）：通过继承 Enum 类来创建单例。

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;

    // 具体逻辑方法
}

应聘注意事项

• 清晰理解每种实现方式的适用场景和潜在问题。
• 准备好解释和比较不同实现实现方式在性能、安全性等方面的优劣。
• 举例说明如何在项目中应用单例模式，并提供相关的代码片段。