单例模式
单例模式限制对象的创建，并提供统一的获取入口，让调用者在约定范围内复用同一个实例。这里最需要说清楚的是“约定范围”：同一个进程、同一个 Java 运行时类、同一个容器，并不是同一件事。
单例题也不只是把构造函数藏起来。初始化是否完成、并发调用是否会重复创建、初始化失败后怎么办、谁关闭共享资源，都会影响这个对象能否正确使用。实例只有一个，不代表它的业务操作天然安全。
1. 面试核心
先记住这几条，再读正文- 单例的“唯一”有作用域，进程内的一个实例不能保证整个集群只有一个实例。Java 静态字段和 Spring singleton 还要分别考虑运行时类与容器的边界。卡 · 唯一实例的作用域
- 实现单例要同时保证受控创建与完成初始化后的安全发布。只有互斥地创建对象，却让其他调用方绕过同步读取，仍可能出错。卡 · 创建时机与安全发布
- 提前初始化与延迟初始化的区别是何时承担创建成本、何时暴露失败，并不决定对象后续操作是否线程安全。
- JavaScript 可以用闭包保留实例变量，让同一个获取函数返回同一对象。这个范围不跨页面或 Worker，也不自动解决异步初始化竞争。卡 · JavaScript 闭包单例
- Go 的同一个
sync.Once协调一次初始化，它不根据业务错误自动重试，panic 后也不会重新执行。恢复 panic 不等于拿到了完整对象。卡 · 初始化失败 - 单例使对象被共享，后续可变状态仍需独立的同步和生命周期规则。测试可通过显式传入依赖获得隔离，不必并发重置全局实例。卡 · 共享状态、生命周期与测试
2. 唯一实例的作用域
单例管理的是一组调用者如何获取同一个对象，而不是为所有机器建立全局约束。两个独立启动的服务进程各有自己的内存；即使它们运行完全相同的代码，也会各自初始化实例。
| 实现或使用方式 | 需要说明的范围 |
|---|---|
| JavaScript 闭包中保存实例 | 同一个闭包实例的获取入口；重新执行外层工厂、不同页面或 Worker 可以有独立实例 |
| Go 包中保存实例，并通过同一个获取函数访问 | 当前程序进程内的这组包变量与入口；另一个进程有独立状态 |
| Java 类的静态字段保存实例 | 同一个运行时类；类的二进制名称与定义类加载器共同决定类型身份 |
| Spring singleton Bean | 同一个容器中的同一个 Bean 定义；同一类型可以有多个 Bean 定义 |
| 多个服务副本都声明单例 | 每个副本仍可以各有一个实例，不提供分布式互斥或唯一性 |
Java 中，两个类加载器分别定义同名类时，可以各自拥有静态实例；多个加载器如果都委派给同一个定义加载器，则可以复用同一运行时类。区别见双亲委派模型。不能仅按“创建了几个类加载器”推断实例数量。
Spring 的范围由容器管理，详细区别见IoC 容器。如果目标是“整个集群同一时刻只有一个节点执行任务”，应另外讨论选主、租约与失效后的旧执行者，不能靠本地单例完成。
此外，统一入口只约束遵守该入口的调用者。Java 私有构造器限制普通代码直接创建，但不能被当作安全隔离措施；Go 也没有“某类型永远不能再构造第二个值”的单例关键字。实现需要明确公开 API、包内约定和允许的创建路径。
3. 创建时机与安全发布
提前初始化在所属初始化阶段创建对象，使用时直接取已有结果。延迟初始化把创建推迟到第一次真正获取时。
| 选择 | 好处 | 需要承担的代价 |
|---|---|---|
| 提前初始化 | 获取路径简单，依赖与错误可以较早暴露 | 即使之后不用，也会创建；初始化可能拖慢启动 |
| 延迟初始化 | 未使用时不创建，推迟占用资源 | 首次调用承担延迟；并发首次访问、失败和等待需要协议 |
“提前”相对于所属初始化阶段而言。Go 包级变量在包初始化时建立；Java 静态字段初始化发生在类初始化时，不应直接说成“程序刚启动就一定创建”。如果启动代码主动创建并校验依赖，就能明确决定何时暴露错误。
安全发布保证调用者拿到对象时，也能看到规定的初始化写入。“只创建一次”与“初始化完成后才能使用”是两个需要同时满足的条件。
一个有问题的做法是：先把共享标记设成“完成”，再去填充配置。其他调用者看到标记后直接返回，会读到还没有准备好的对象。另一个问题是仅在创建者一侧加锁，却让读取者在锁外直接检查普通共享变量；没有相应的同步关系，读取仍然不安全。
Java 的双重检查锁定需要正确使用 volatile，静态持有者则利用类初始化的同步规则。代码和内存模型解释统一放在安全发布及其静态持有者章节。这里不再维护第二套实现。
3.1 JavaScript 闭包单例
闭包让函数继续访问创建它时所在的词法环境。可以把实例变量留在外层函数中，只向调用者提供获取函数；这个获取函数的每次调用访问的都是同一份变量。
下面的外层立即执行函数只运行一次，返回 getSettings。对象在第一次调用 getSettings() 时创建：
const getSettings = (() => {
let instance;
return function getSettings() {
if (instance === undefined) {
instance = { theme: 'light' };
}
return instance;
};
})();
const first = getSettings();
const second = getSettings();
console.log(first === second); // true
first.theme = 'dark';
console.log(second.theme); // dark
instance 不在调用者的直接作用域中，但返回的对象仍然可变。first 和 second 引用同一个对象，所以修改 first.theme 后，second.theme 也变成 dark。闭包隐藏变量不等于冻结对象，后续共享状态仍要按业务管理。
这个例子的初始化是同步的对象字面量构造，没有 await，也不会回调外部代码。不能直接把它改成“如果为空就 await 创建”：两个调用都可能在等待期间看到尚未赋值，从而分别创建对象。异步初始化通常要先保存同一个进行中的 Promise，并明确失败后保留错误还是允许重试；涉及递归获取时，也要另外处理重入。
单例的范围是这个外层函数创建的一份环境。若每次获取时都重新执行外层工厂，就会创建新的实例变量；不同页面、Worker 或独立加载的模块副本也不自动共享该对象。模块导出可以提供统一入口，但仍需明确模块实例和运行环境的边界。词法环境与状态保留见作用域与闭包。
4. Go 的单例实现
sync.Once 适合只需要执行一次的延迟初始化。下例以 Go 1.22 为基线，把配置保存在包变量中，由同一个 DefaultConfig 入口返回。
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
type config struct {
endpoint string
}
func (c *config) Endpoint() string {
return c.endpoint
}
var configOnce sync.Once
var defaultConfig *config
func DefaultConfig() *config {
configOnce.Do(func() {
defaultConfig = &config{endpoint: "https://example.test"}
})
return defaultConfig
}
func main() {
first, second := DefaultConfig(), DefaultConfig()
fmt.Println(first == second, first.Endpoint())
}
输出 true https://example.test，两个调用返回相同的指针。config 不是零大小类型，这里的指针比较能够检查是否返回了同一个配置对象。示例只保存字符串，没有向该地址发起网络请求。
并发调用时，所有获取者都经过同一个 configOnce.Do。一次初始化正常结束后，对 defaultConfig 及其字段的写入能够被这些调用者看到。Once 的等待、发布与内部完成标记详见 Go 同步原语。
这段代码还有几个明确约定：
configOnce必须是共享的那一个，不能在每次调用DefaultConfig时新建，也不能复制已经使用过的Once。- 调用者通过
DefaultConfig获取结果，不能在其他路径无同步地读取或替换defaultConfig。 - 配置初始化后不再修改。
Endpoint返回字符串，不把可变 map 或 slice 的内部存储直接交出去。 config是包内类型，但 Go 仍允许包内构造其他值，拿到指针的代码也可能复制它指向的值。这里保证的是统一获取入口返回同一实例，不是禁止所有值复制。
4.1 初始化失败
Once.Do 只负责协调一次执行，不把“执行完毕”解释为“业务成功”。如果初始化函数读取文件失败，可以把结果与错误一起保存在共享状态中，让获取函数返回 (对象, error)；后续调用会得到已保存的结果，不会自动再读取一次。
如果初始化发生 panic，Once 也不会在后续调用中重新执行。外层即使恢复 panic，实例仍可能为 nil 或只完成了一部分赋值。调用方必须处理这种失败，不能继续当作初始化成功。
同一个初始化过程直接或间接再次调用自己的获取入口，还可能形成递归等待。具体行为与反例见 Go 同步原语。
需要失败重试、动态换配置或重建连接时，应该设计明确的状态与生命周期，例如“未初始化、初始化中、就绪、失败、关闭”，并规定等待者何时收到错误、谁能重试。把正在被其他 goroutine 使用的 Once 赋成零值不是可靠的重试方案。
Java 静态初始化也不是通用重试机制：同一运行时类初始化失败后会进入错误状态，后续主动使用会失败，详见类加载故障。
5. 共享状态、生命周期与测试
单例只限制实例获取，不限制实例内部有多少资源。一个共享数据库客户端可以管理多个连接；“一个客户端对象”不等于“只能有一条数据库连接”。
更需要区分的是初始化和后续使用。即使所有请求都拿到同一个对象，并且初始化可见，多个请求同时修改普通计数器仍会发生竞争。可以选择不可变状态、互斥锁、原子操作或合适的并发容器；把请求专属的用户信息写入共享字段，则首先是作用域设计有问题。
5.1 谁负责关闭
共享资源应有明确的所有者。应用启动时创建客户端，再交给各个业务组件使用，可以由应用在停止接收新任务、等待已有任务结束后统一关闭。
如果每个调用者都在使用后关闭同一个全局客户端，其他调用者可能仍在使用它。反过来，完全依赖进程退出，又可能错过刷新缓冲区、释放远端会话或记录失败的机会。单例模式不会自动决定这些顺序。
5.2 测试如何隔离
全局单例容易让测试互相影响：前一个测试已经初始化配置，后一个测试即使换了环境变量，也无法让同一个 Once 重新执行；测试修改的共享状态还可能泄漏到下一项。
一种直接的处理方式是把默认实例的选择留在应用装配处，业务组件通过构造参数接收依赖。生产环境可以把同一个实例传给多个组件，测试则传入独立实例或替代实现。这样既能复用资源，也能明确每个测试依赖什么。
确实要测试全局默认入口时，可以使用独立进程获得新的包级状态。不要让并行测试一边使用全局对象，一边把指针和 Once 重置；这同时改变了对象身份和同步状态。
是否使用单例，应根据对象是否需要共享、生命周期是否稳定以及依赖是否清楚来决定。请求数据、不同租户的配置和需要频繁重建的资源，通常需要比“全局一个对象”更具体的作用域。
6 · 面试题卡片
本页题目与参考回答
6.1 单例模式是什么，“只有一个实例”指什么范围？
考察重点：受控创建、统一入口、进程与类加载器及容器的作用域。
相关内容：唯一实例的作用域。
参考回答
单例模式让调用者通过统一入口，在约定范围内获取同一个实例。 应同时说明如何限制创建，以及这个范围由谁管理。
本地包变量不跨进程共享；Java 静态实例属于具体运行时类，要结合定义类加载器判断；Spring singleton 则是每个容器、每个 Bean 定义共享一个实例。同一类注册成多个 Bean，或在不同容器中使用，可以有多个实例。
因此，本地单例不能证明集群中只有一个执行者，也不能直接提供分布式互斥。
6.2 如何实现单例模式？
考察重点：创建时机、并发首次获取、初始化完成与发布关系。
参考回答
先确定作用域和创建时机，再保证受控创建与安全发布。 不需要延迟创建时，可以在明确的初始化阶段创建并保存；需要延迟时，要协调并发首次获取。
Go 可以使用包级实例和同一个 sync.Once，所有获取者调用 Do 后再返回实例。初始化正常完成后，其他调用者才能通过该同步关系看到完整结果。Java 可以使用静态持有者；采用双重检查锁定时，需要锁内再次检查，并通过 volatile 等正确机制完成发布。
还要说明初始化失败是否重试、对象是否允许后续修改，以及谁负责关闭。不能只展示一个空值判断，就认定并发安全。
6.3 初始化失败后，能否依靠 Once 或静态初始化自动重试？
考察重点：执行一次与业务成功、panic、失败状态及重试协议。
相关内容：初始化失败。
参考回答
不能把它们当作自动重试机制。 Go Once 的初始化函数正常返回后，无论业务是否成功，后续都不会再执行；panic 后也不会重新调用。恢复 panic 只处理控制流，不保证实例完整。
Java 同一个运行时类初始化失败后会进入错误状态，也不会通过下一次使用重新初始化。需要重试时，应显式管理失败、等待、下一次尝试和资源清理，不并发重置正在使用的同步对象。
6.4 单例初始化安全，为什么业务方法仍可能有数据竞争？
考察重点：初始化发布与后续修改、共享对象的状态和生命周期。
相关内容：共享状态、生命周期与测试。
参考回答
初始化同步只保证规定的初始化写入可见，不会自动保护之后的每次修改。 多个调用者共享对象后，普通计数器、map 或请求字段仍可能被同时访问。
可以保持状态不可变，或为后续操作选择锁、原子操作与并发容器。请求专属数据应放在请求自己的作用域中。共享资源的关闭也要由明确的所有者协调，避免一个调用者关闭后，其他调用者仍在使用。
6.5 怎样用 JavaScript 闭包实现单例对象？
考察重点：闭包保留实例变量、对象身份、创建时机与作用域。
相关内容：JavaScript 闭包单例。
参考回答
让外层函数保留实例变量，向外返回一个获取函数，所有调用者复用这个获取函数。 第一次调用时创建对象并保存，后续返回同一个引用；用两次返回值的严格相等比较检查身份。
外层函数不能在每次获取时重新执行，否则保存实例的环境也会重新创建。返回同一对象会共享可变状态，不能把闭包当作不可变性保证。同步对象构造的示例也不能直接推导到异步初始化；有等待过程时，需要先协调进行中的初始化及失败策略。
7. 参考资料
- Go 1.22.12：sync.Once
- Go 1.22.12：Once 的实现与完成条件
- Go 1.22.12：内存模型中的初始化与 Once
- Java SE 21 语言规范：类初始化过程
- Java SE 21 虚拟机规范：运行时类与定义加载器
- Spring Framework 6.2.12：Bean 作用域
- MDN：Closures
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