單例模式（Singleton）的6種實現
1.1.1 摘要 在我們日常的工作中經常需要在應用程序中保持一個唯一的實例，如：IO處理，數據庫操作等，由于這些對象都要占用重要的系統資源，所以我們必須限制這些實例的創建或始終使用一個...
1.1.1 摘要
在我們日常的工作中經常需要在應用程序中保持一個唯一的實例，如：IO處理，數據庫操作等，由于這些對象都要占用重要的系統資源，所以我們必須限制這些實例的創建或始終使用一個公用的實例，這就是我們今天要介紹的——單例模式（Singleton）。
使用頻率
高
單件模式（Singleton）：保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。
1.1.2 正文
圖1單例模式（Singleton）結構圖
單例模式（Singleton）是幾個創建模式中最對立的一個，它的主要特點不是根據用戶程序調用生成一個新的實例，而是控制某個類型的實例唯一性，通過上圖我們知道它包含的角色只有一個，就是Singleton，它擁有一個私有構造函數，這確保用戶無法通過new直接實例它。除此之外，該模式中包含一個靜態私有成員變量instance與靜態公有方法Instance()。Instance()方法負責檢驗并實例化自己，然后存儲在靜態成員變量中，以確保只有一個實例被創建。
圖2單例模式（Singleton）邏輯模型
接下來我們將介紹6中不同的單例模式（Singleton）的實現方式。這些實現方式都有以下的共同點：
- 有一個私有的無參構造函數，這可以防止其他類實例化它，而且單例類也不應該被繼承，如果單例類允許繼承那么每個子類都可以創建實例，這就違背了Singleton模式“唯一實例”的初衷。
- 單例類被定義為sealed,就像前面提到的該類不應該被繼承，所以為了保險起見可以把該類定義成不允許派生，但沒有要求一定要這樣定義。
- 一個靜態的變量用來保存單實例的引用。
- 一個公有的靜態方法用來獲取單實例的引用，如果實例為null即創建一個。
版本一線程不安全
/// <summary> /// A simple singleton class implements. /// </summary> public sealed class Singleton { private static Singleton _instance = null; /// <summary> /// Prevents a default instance of the /// <see cref="Singleton"/> class from being created. /// </summary> private Singleton() { } /// <summary> /// Gets the instance. /// </summary> public static Singleton Instance { get { return _instance ?? (_instance = new Singleton()); } } }
以上的實現方式適用于單線程環境，因為在多線程的環境下有可能得到Singleton類的多個實例。假如同時有兩個線程去判斷
（null == _singleton），并且得到的結果為真，那么兩個線程都會創建類Singleton的實例，這樣就違背了Singleton模式“唯一實例”的初衷。
版本二線程安全
/// <summary> /// A thread-safe singleton class. /// </summary> public sealed class Singleton { private static Singleton _instance = null; private static readonly object SynObject = new object(); Singleton() { } /// <summary> /// Gets the instance. /// </summary> public static Singleton Instance { get { // Syn operation. lock (SynObject) { return _instance ?? (_instance = new Singleton()); } } } }
以上方式的實現方式是線程安全的，首先我們創建了一個靜態只讀的進程輔助對象，由于lock是確保當一個線程位于代碼的臨界區時，另一個線程不能進入臨界區（同步操作）。如果其他線程試圖進入鎖定的代碼，則它將一直等待，直到該對象被釋放。從而確保在多線程下不會創建多個對象實例了。只是這種實現方式要進行同步操作，這將是影響系統性能的瓶頸和增加了額外的開銷。
Double-Checked Locking
前面講到的線程安全的實現方式的問題是要進行同步操作，那么我們是否可以降低通過操作的次數呢？其實我們只需在同步操作之前，添加判斷該實例是否為null就可以降低通過操作的次數了，這樣是經典的Double-Checked Locking方法。
/// <summary> /// Double-Checked Locking implements a thread-safe singleton class /// </summary> public sealed class Singleton { private static Singleton _instance = null; // Creates an syn object. private static readonly object SynObject = new object(); Singleton() { } public static Singleton Instance { get { // Double-Checked Locking if (null == _instance) { lock (SynObject) { if (null == _instance) { _instance = new Singleton(); } } } return _instance; } } }
在介紹第四種實現方式之前，首先讓我們認識什么是，當字段被標記為beforefieldinit類型時，該字段初始化可以發生在任何時候任何字段被引用之前。這句話聽起了有點別扭，接下來讓我們通過具體的例子介紹。
/// <summary> /// Defines a test class. /// </summary> class Test { public static string x = EchoAndReturn("In type initializer"); public static string EchoAndReturn(string s) { Console.WriteLine(s); return s; } }
上面我們定義了一個包含靜態字段和方法的類Test，但要注意我們并沒有定義靜態的構造函數。
圖3 Test類的IL代碼
class Test { public static string x = EchoAndReturn("In type initializer"); // Defines a parameterless constructor. static Test() { } public static string EchoAndReturn(string s) { Console.WriteLine(s); return s; } }
上面我們給Test類添加一個靜態的構造函數。
圖4 Test類的IL代碼
通過上面Test類的IL代碼的區別我們發現，當Test類包含靜態字段，而且沒有定義靜態的構造函數時，該類會被標記為beforefieldinit。
現在也許有人會問：“被標記為beforefieldinit和沒有標記的有什么區別呢”？OK現在讓我們通過下面的具體例子看一下它們的區別吧！
class Test { public static string x = EchoAndReturn("In type initializer"); static Test() { } public static string EchoAndReturn(string s) { Console.WriteLine(s); return s; } } class Driver { public static void Main() { Console.WriteLine("Starting Main"); // Invoke a static method on Test Test.EchoAndReturn("Echo!"); Console.WriteLine("After echo"); Console.ReadLine(); // The output result: // Starting Main // In type initializer // Echo! // After echo } }
我相信大家都可以得到答案，如果在調用EchoAndReturn()方法之前，需要完成靜態成員的初始化，所以最終的輸出結果如下：
圖5輸出結果
接著我們在Main()方法中添加string y = Test.x，如下：
public static void Main() { Console.WriteLine("Starting Main"); // Invoke a static method on Test Test.EchoAndReturn("Echo!"); Console.WriteLine("After echo"); //Reference a static field in Test string y = Test.x; //Use the value just to avoid compiler cleverness if (y != null) { Console.WriteLine("After field access"); } Console.ReadKey(); // The output result: // In type initializer // Starting Main // Echo! // After echo // After field access }
圖6 輸出結果
通過上面的輸出結果，大家可以發現靜態字段的初始化跑到了靜態方法調用之前，Wo難以想象啊！
最后我們在Test類中添加一個靜態構造函數如下：
class Test { public static string x = EchoAndReturn("In type initializer"); static Test() { } public static string EchoAndReturn(string s) { Console.WriteLine(s); return s; } }
圖7 輸出結果
理論上，type initializer應該發生在”Echo!”之后和”After echo”之前，但這里卻出現了不唯一的結果，只有當Test類包含靜態構造函數時，才能確保type initializer的初始化發生在”Echo!”之后和”After echo”之前。
所以說要確保type initializer發生在被字段引用時，我們應該給該類添加靜態構造函數。接下來讓我們介紹單例模式的靜態方式。
靜態初始化
public sealed class Singleton { private static readonly Singleton _instance = new Singleton(); // Explicit static constructor to tell C# compiler // not to mark type as beforefieldinit static Singleton() { } /// <summary> /// Prevents a default instance of the /// <see cref="Singleton"/> class from being created. /// </summary> private Singleton() { } /// <summary> /// Gets the instance. /// </summary> public static Singleton Instance { get { return _instance; } } }
以上方式實現比之前介紹的方式都要簡單，但它確實是多線程環境下，C#實現的Singleton的一種方式。由于這種靜態初始化的方式是在自己的字段被引用時才會實例化。
讓我們通過IL代碼來分析靜態初始化。
圖8靜態初始化IL代碼
首先這里沒有beforefieldinit的修飾符，由于我們添加了靜態構造函數當靜態字段被引用時才進行初始化，因此即便很多線程試圖引用_instance，也需要等靜態構造函數執行完并把靜態成員_instance實例化之后可以使用。
延遲初始化
/// <summary> /// Delaies initialization. /// </summary> public sealed class Singleton { private Singleton() { } /// <summary> /// Gets the instance. /// </summary> public static Singleton Instance { get { return Nested._instance; } } private class Nested { // Explicit static constructor to tell C# compiler // not to mark type as beforefieldinit static Nested() { } internal static readonly Singleton _instance = new Singleton(); } }
這里我們把初始化工作放到Nested類中的一個靜態成員來完成，這樣就實現了延遲初始化。
Lazy<T> type
/// <summary> /// .NET 4's Lazy<T> type /// </summary> public sealed class Singleton { private static readonly Lazy<Singleton> lazy = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton()); public static Singleton Instance { get { return lazy.Value; } } private Singleton() { } }
這種方式的簡單和性能良好，而且還提供檢查是否已經創建實例的屬性IsValueCreated。
具體例子
現在讓我們使用單例模式（Singleton）實現負載平衡器，首先我們定義一個服務器類，它包含服務器名和IP地址如下：
/// <summary> /// Represents a server machine /// </summary> class Server { // Gets or sets server name public string Name { get; set; } // Gets or sets server IP address public string IP { get; set; } }
由于負載平衡器只提供一個對象實例供服務器使用，所以我們使用單例模式（Singleton）實現該負載平衡器。
/// <summary> /// The 'Singleton' class /// </summary> sealed class LoadBalancer { private static readonly LoadBalancer _instance = new LoadBalancer(); // Type-safe generic list of servers private List<Server> _servers; private Random _random = new Random(); static LoadBalancer() { } // Note: constructor is 'private' private LoadBalancer() { // Load list of available servers _servers = new List<Server> { new Server{ Name = "ServerI", IP = "192.168.0.108" }, new Server{ Name = "ServerII", IP = "192.168.0.109" }, new Server{ Name = "ServerIII", IP = "192.168.0.110" }, new Server{ Name = "ServerIV", IP = "192.168.0.111" }, new Server{ Name = "ServerV", IP = "192.168.0.112" }, }; } /// <summary> /// Gets the instance through static initialization. /// </summary> public static LoadBalancer Instance { get { return _instance; } } // Simple, but effective load balancer public Server NextServer { get { int r = _random.Next(_servers.Count); return _servers[r]; } } }
上面負載平衡器類LoadBalancer我們使用靜態初始化方式實現單例模式（Singleton）。
static void Main() { LoadBalancer b1 = LoadBalancer.Instance; b1.GetHashCode(); LoadBalancer b2 = LoadBalancer.Instance; LoadBalancer b3 = LoadBalancer.Instance; LoadBalancer b4 = LoadBalancer.Instance; // Confirm these are the same instance if (b1 == b2 && b2 == b3 && b3 == b4) { Console.WriteLine("Same instance\n"); } // Next, load balance 15 requests for a server LoadBalancer balancer = LoadBalancer.Instance; for (int i = 0; i < 15; i++) { string serverName = balancer.NextServer.Name; Console.WriteLine("Dispatch request to: " + serverName); } Console.ReadKey(); }
![clip_image002[9]](https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/rush/201110/201110302127207237.jpg "clip_image002[9]")
圖9 LoadBalancer輸出結果
1.1.3 總結
單例模式的優點：
單例模式（Singleton）會控制其實例對象的數量，從而確保訪問對象的唯一性。
- 實例控制：單例模式防止其它對象對自己的實例化，確保所有的對象都訪問一個實例。
- 伸縮性：因為由類自己來控制實例化進程，類就在改變實例化進程上有相應的伸縮性。
單例模式的缺點：
- 系統開銷。雖然這個系統開銷看起來很小，但是每次引用這個類實例的時候都要進行實例是否存在的檢查。這個問題可以通過靜態實例來解決。
- 開發混淆。當使用一個單例模式的對象的時候（特別是定義在類庫中的），開發人員必須要記住不能使用new關鍵字來實例化對象。因為開發者看不到在類庫中的源代碼，所以當他們發現不能實例化一個類的時候會很驚訝。
- 對象生命周期。單例模式沒有提出對象的銷毀。在提供內存管理的開發語言（比如，基于.NetFramework的語言）中，只有單例模式對象自己才能將對象實例銷毀，因為只有它擁有對實例的引用。在各種開發語言中，比如C++，其它類可以銷毀對象實例，但是這么做將導致單例類內部的指針指向不明。
單例適用性
使用Singleton模式有一個必要條件：在一個系統要求一個類只有一個實例時才應當使用單例模式。反之，如果一個類可以有幾個實例共存，就不要使用單例模式。
不要使用單例模式存取全局變量。這違背了單例模式的用意，最好放到對應類的靜態成員中。
不要將數據庫連接做成單例，因為一個系統可能會與數據庫有多個連接，并且在有連接池的情況下，應當盡可能及時釋放連接。Singleton模式由于使用靜態成員存儲類實例，所以可能會造成資源無法及時釋放，帶來問題。
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