Java设计模式精髓：单例与工厂模式实战指南

在Java开发中，设计模式是解决特定问题的经典方案。本文将深入探讨单例模式和工厂模式，这两种最常用且强大的设计模式。我们将从基础概念讲起，逐步深入到实际应用场景和高级技巧。

一、单例模式：确保全局唯一实例

单例模式(Singleton Pattern)确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。这种模式在需要控制资源访问、配置管理或线程池等场景中特别有用。

1.1 基本实现方式

最简单的单例实现是饿汉式：

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

这种实现简单直接，但可能在程序启动时就创建实例，即使从未使用。

1.2 线程安全的懒汉式

更优雅的实现是双重检查锁定的懒汉式：

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

这种实现既保证了线程安全，又实现了延迟加载。

1.3 枚举实现 - 最佳实践

Joshua Bloch在《Effective Java》中推荐使用枚举实现单例：

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void doSomething() {
        // 业务方法
    }
}

这种方式不仅能避免多线程同步问题，还能防止反序列化重新创建新对象。

二、工厂模式：对象创建的优雅解决方案

工厂模式(Factory Pattern)定义了一个创建对象的接口，但让子类决定实例化哪个类。工厂方法让类的实例化延迟到子类。

2.1 简单工厂模式

最简单的工厂模式实现：

public class ShapeFactory {
    public Shape createShape(String type) {
        if (type.equalsIgnoreCase("circle")) {
            return new Circle();
        } else if (type.equalsIgnoreCase("rectangle")) {
            return new Rectangle();
        }
        return null;
    }
}

2.2 工厂方法模式

更灵活的方式是工厂方法模式：

public interface ShapeFactory {
    Shape createShape();
}

public class CircleFactory implements ShapeFactory {
    public Shape createShape() {
        return new Circle();
    }
}

public class RectangleFactory implements ShapeFactory {
    public Shape createShape() {
        return new Rectangle();
    }
}

2.3 抽象工厂模式

当需要创建一系列相关或依赖对象时，抽象工厂模式更合适：

public interface GUIFactory {
    Button createButton();
    Checkbox createCheckbox();
}

public class WinFactory implements GUIFactory {
    public Button createButton() {
        return new WinButton();
    }

    public Checkbox createCheckbox() {
        return new WinCheckbox();
    }
}

三、实际应用场景对比

3.1 单例模式适用场景

• 配置管理类
• 线程池
• 缓存系统
• 日志记录器
• 设备驱动程序

3.2 工厂模式适用场景

• 需要创建复杂对象
• 需要根据配置创建不同对象
• 需要解耦对象的创建与使用
• 需要为不同环境提供不同实现

四、性能考量与最佳实践

4.1 单例模式注意事项

• 避免过度使用单例，它本质上是全局状态
• 考虑线程安全问题
• 注意序列化和反序列化问题
• 在依赖注入框架中谨慎使用

4.2 工厂模式优化技巧

• 结合反射机制实现更灵活的工厂
• 使用缓存提高性能
• 考虑使用依赖注入框架替代手动工厂
• 为工厂添加生命周期管理

五、现代Java中的演进

在Java 8+和Spring等现代框架中，这些模式有了新的实现方式：

5.1 使用Supplier实现延迟初始化

public class LazySingleton {
    private static final Supplier<Singleton> INSTANCE = 
        () -> {
            Singleton instance = new Singleton();
            return instance;
        };

    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE.get();
    }
}

5.2 Spring中的单例与工厂

Spring框架本身就实现了单例模式，同时提供了强大的工厂机制：

@Configuration
public class AppConfig {
    @Bean
    @Scope("singleton")
    public MyService myService() {
        return new MyServiceImpl();
    }
}

六、总结

单例模式和工厂模式是Java设计模式中最基础也最强大的两种模式。正确理解和使用它们可以显著提高代码质量。单例模式确保全局唯一访问点，而工厂模式提供了灵活的对象创建机制。在实际开发中，应根据具体需求选择最合适的实现方式，并注意避免常见陷阱。

随着Java语言的演进和框架的发展，这些经典模式的实现方式也在不断优化。掌握它们的核心思想比记住具体实现更重要，这样才能在复杂多变的开发环境中灵活应用。