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概述

Singleton模式?

五種實現

1 ．簡單實現

?1 public ? sealed ? class ?Singleton
?2 {
?3 ???? static ?Singleton?instance = null ;
?4
?5 ????Singleton()
?6 ???? {
?7 ????}
?8
?9 ???? public ? static ?Singleton?Instance
10 ???? {
11 ???????? get
12 ???????? {
13 ???????????? if ?(instance == null )
14 ???????????? {
15 ????????????????instance? = ? new ?Singleton();
16 ????????????}
17 ???????????? return ?instance;
18 ????????}
19 ????}
20 }

這種方式的實現對于線程來說并不是安全的，因為在多線程的環境下有可能得到Sigleton類的多個實例。如果同時有兩個線程去判斷（instance == null），并且得到的結果為真，這時兩個線程都會創建類Sigleton的實例，這樣就違背了Sigleton模式的原則。實際上在上述代碼中，有可能在計算出表達式的值之前，對象實例已經被創建，但是內存模型并不能保證對象實例在第二個線程創建之前被發現。

該實現方式主要有兩個優點：

l???????? 由于實例是在 Instance屬性方法內部創建的，因此類可以使用附加功能（例如，對子類進行實例化），即使它可能引入不想要的依賴性。

l???????? 直到對象要求產生一個實例才執行實例化；這種方法稱為“惰性實例化”。惰性實例化避免了在應用程序啟動時實例化不必要的 singleton。

2 ．安全的線程

?1 public ? sealed ? class ?Singleton
?2 {
?3 ???? static ?Singleton?instance = null ;
?4 ???? static ? readonly ? object ?padlock? = ? new ? object ();
?5
?6 ????Singleton()
?7 ???? {
?8 ????}
?9
10 ???? public ? static ?Singleton?Instance
11 ???? {
12 ???????? get
13 ???????? {
14 ???????????? lock ?(padlock)
15 ???????????? {
16 ???????????????? if ?(instance == null )
17 ???????????????? {
18 ????????????????????instance? = ? new ?Singleton();
19 ????????????????}
20 ???????????????? return ?instance;
21 ????????????}
22 ????????}
23 ????}
24 }
25
26

這種方式的實現對于線程來說是安全的。我們首先創建了一個進程輔助對象，線程在進入時先對輔助對象加鎖然后再檢測對象是否被創建，這樣可以確保只有一個實例被創建，因為在同一個時刻加了鎖的那部分程序只有一個線程可以進入。這種情況下，對象實例由最先進入的那個線程創建，后來的線程在進入時（ instence == null ）為假，不會再去創建對象實例了。但是這種實現方式增加了額外的開銷，損失了性能。

3 ．雙重鎖定

?1 public ? sealed ? class ?Singleton
?2 {
?3 ???? static ?Singleton?instance = null ;
?4 ???? static ? readonly ? object ?padlock? = ? new ? object ();
?5
?6 ????Singleton()
?7 ???? {
?8 ????}
?9
10 ???? public ? static ?Singleton?Instance
11 ???? {
12 ???????? get
13 ???????? {
14 ???????????? if ?(instance == null )
15 ???????????? {
16 ???????????????? lock ?(padlock)
17 ???????????????? {
18 ???????????????????? if ?(instance == null )
19 ???????????????????? {
20 ????????????????????????instance? = ? new ?Singleton();
21 ????????????????????}
22 ????????????????}
23 ????????????}
24 ???????????? return ?instance;
25 ????????}
26 ????}
27 }
28

這種實現方式對多線程來說是安全的，同時線程不是每次都加鎖，只有判斷對象實例沒有被創建時它才加鎖，有了我們上面第一部分的里面的分析，我們知道，加鎖后還得再進行對象是否已被創建的判斷。它 解決了線程并發問題，同時避免在每個 Instance 屬性方法的調用中都出現獨占鎖定。它還允許您將實例化延遲到第一次訪問對象時發生。實際上，應用程序很少需要這種類型的實現。大多數情況下我們會用靜態初始化。 這種方式仍然有很多缺點：無法實現延遲初始化。

4 ．靜態初始化

?1 public ? sealed ? class ?Singleton
?2 {
?3 ???? static ? readonly ?Singleton?instance = new ?Singleton();
?4
?5 ???? static ?Singleton()
?6 ???? {
?7 ????}
?8
?9 ????Singleton()
10 ???? {
11 ????}
12
13 ???? public ? static ?Singleton?Instance
14 ???? {
15 ???????? get
16 ???????? {
17 ???????????? return ?instance;
18 ????????}
19 ????}
20 }
21

看到上面這段富有戲劇性的代碼，我們可能會產生懷疑，這還是 Sigleton 模式嗎？ 在此實現中，將在第一次引用類的任何成員時創建實例。公共語言運行庫負責處理變量初始化。該類標記為 sealed 以阻止發生派生，而派生可能會增加實例。此外，變量標記為 readonly，這意味著只能在靜態初始化期間（此處顯示的示例）或在類構造函數中分配變量。

該實現與前面的示例類似，不同之處在于它依賴公共語言運行庫來初始化變量。它仍然可以用來解決 Singleton模式試圖解決的兩個基本問題：全局訪問和實例化控制。公共靜態屬性為訪問實例提供了一個全局訪問點。此外，由于構造函數是私有的，因此不能在類本身以外實例化 Singleton 類；因此，變量引用的是可以在系統中存在的唯一的實例。

由于 Singleton 實例被私有靜態成員變量引用，因此在類首次被對 Instance屬性的調用所引用之前，不會發生實例化。

這種方法唯一的潛在缺點是，您對實例化機制的控制權較少。在Design Patterns形式中，您能夠在實例化之前使用非默認的構造函數或執行其他任務。由于在此解決方案中由 .NET Framework 負責執行初始化，因此您沒有這些選項。在大多數情況下，靜態初始化是在 .NET 中實現 Singleton的首選方法。

5 ．延遲初始化

?1 public ? sealed ? class ?Singleton
?2 {
?3 ????Singleton()
?4 ???? {
?5 ????}
?6
?7 ???? public ? static ?Singleton?Instance
?8 ???? {
?9 ???????? get
10 ???????? {
11 ???????????? return ?Nested.instance;
12 ????????}
13 ????}
14 ????
15 ???? class ?Nested
16 ???? {
17 ???????? static ?Nested()
18 ???????? {
19 ????????}
20
21 ???????? internal ? static ? readonly ?Singleton?instance? = ? new ?Singleton();
22 ????}
23 }
24

這里，初始化工作有Nested類的一個靜態成員來完成，這樣就實現了延遲初始化，并具有很多的優勢，是值得推薦的一種實

現方式。

實現要點

l??????? Sigleton模式是限制而不是改進類的創建。

l???????? Sigleton類中的實例構造器可以設置為Protected以允許子類派生。

l???????? Sigleton模式一般不要支持Icloneable接口，因為這可能導致多個對象實例，與Sigleton模式的初衷違背。

l???????? Sigleton模式一般不要支持序列化，這也有可能導致多個對象實例，這也與Sigleton模式的初衷違背。

l???????? Sigleton只考慮了對象創建的管理，沒有考慮到銷毀的管理，就支持垃圾回收的平臺和對象的開銷來講，我們一般沒必要對其銷毀進行特殊的管理。

l???????? 理解和擴展Sigleton模式的核心是“如何控制用戶使用new對一個類的構造器的任意調用”。

l???????? 可以很簡單的修改一個 Sigleton ，使它有少數幾個實例，這樣做是允許的而且是有意義的 。

優點

l???????? 實例控制： Singleton 會阻止其他對象實例化其自己的 Singleton對象的副本，從而確保所有對象都訪問唯一實例

l???????? 靈活性：因為類控制了實例化過程，所以類可以更加靈活修改實例化過程

缺點

l???????? 開銷：雖然數量很少， 但如果每次對象請求引用時都要檢查是否存在類的實例，將仍然需要一些開銷。可以通過使用靜態初始化解決此問題，上面的五種實現方式中已經說過了。

l????????? 可能的開發混淆： 使用 singleton 對象（尤其在類庫中定義的對象）時，開發人員必須記住自己不能使用 new 關鍵字實例化對象。因為可能無法訪問庫源代碼，因此應用程序開發人員可能會意外發現自己無法直接實例化此類。

l???????? 對象的生存期： Singleton 不能解決刪除單個對象的問題。在提供內存管理的語言中（例如基于 .NET Framework 的語言），只有 Singleton類能夠導致實例被取消分配，因為它包含對該實例的私有引用。在某些語言中（如 C++），其他類可以刪除
對象實例，但這樣會導致 Singleton類中出現懸浮引用。

適用性

l???????? 當類只能有一個實例而且客戶可以從一個眾所周知的訪問點訪問它時。

l???????? 當這個唯一實例應該是通過子類化可擴展的，并且客戶應該無需更改代碼就能使用一個擴展的實例時。

應用場景

l???????? 每臺計算機可以有若干個打印機，但只能有一個 Printer Spooler ，避免兩個打印作業同時輸出到打印機。
（摘自呂震宇的 C# 設計模式（7 ）－Singleton Pattern ）

l???????? PC 機中可能有幾個串口，但只能有一個 COM1 口的實例。

l???????? 系統中只能有一個窗口管理器。

l???????? .NET Remoting 中服務器激活對象中的 Sigleton 對象，確保所有的客戶程序的請求都只有一個實例來處理。

完整示例

這是一個簡單的計數器例子，四個線程同時進行計數。

?1 using ?System;
?2 using ?System.Threading;
?3
?4 namespace ?SigletonPattern.SigletonCounter
?5 {
?6 ???? /**/ /// ? <summary>
?7 ???? /// ?功能：簡單計數器的單件模式
?8 ???? /// ?編寫：Terrylee
?9 ???? /// ?日期：2005年12月06日
10 ???? /// ? </summary>
11 ???? public ? class ?CountSigleton
12 ???? {
13 ???????? /**/ /// 存儲唯一的實例
14 ???????? static ?CountSigleton?uniCounter? = ? new ?CountSigleton();??
15 ???
16 ???????? /**/ /// 存儲計數值
17 ???????? private ? int ?totNum? = ? 0 ;??
18 ???
19 ???????? private ?CountSigleton()?
20 ???
21 ???????? {?
22 ???????????? /**/ /// 線程延遲2000毫秒
23 ????????????Thread.Sleep( 2000 );
24 ????????} ?
25 ???
26 ???????? static ? public ?CountSigleton?Instance()?
27 ???
28 ???????? {?
29 ???
30 ???????????? return ?uniCounter;?
31 ???
32 ????????} ?
33 ????????
34 ???????? /**/ /// 計數加1
35 ???????? public ? void ?Add()
36 ???????? {?
37 ????????????totNum? ++ ;
38 ????????} ??
39 ????????
40 ???????? /**/ /// 獲得當前計數值
41 ???????? public ? int ?GetCounter()
42 ???????? {?
43 ???????????? return ?totNum;
44 ????????} ?
45
46 ????}
47 }
48

?1 using ?System;
?2 using ?System.Threading;
?3 using ?System.Text;
?4
?5 namespace ?SigletonPattern.SigletonCounter
?6 {
?7 ???? /**/ /// ? <summary>
?8 ???? /// ?功能：創建一個多線程計數的類
?9 ???? /// ?編寫：Terrylee
10 ???? /// ?日期：2005年12月06日
11 ???? /// ? </summary>
12 ???? public ? class ?CountMutilThread
13 ???? {
14 ???????? public ?CountMutilThread()
15 ???????? {
16 ????????????
17 ????????}
18
19 ???????? /**/ /// ? <summary>
20 ???????? /// ?線程工作
21 ???????? /// ? </summary>
22 ???????? public ? static ? void ?DoSomeWork()
23 ???????? {
24 ???????????? /**/ /// 構造顯示字符串
25 ???????????? string ?results? = ? "" ;
26
27 ???????????? /**/ /// 創建一個Sigleton實例
28 ???CountSigleton?MyCounter? = ?CountSigleton.Instance();
29
30 ???????????? /**/ /// 循環調用四次
31 ???????????? for ( int ?i = 1 ;i < 5 ;i ++ )
32 ???????????? {
33 ??????? /**/ /// 開始計數
34 ????????????????MyCounter.Add();
35 ????????????????
36 ????????????????results? += " 線程 " ;
37 ????????????????results? += ?i.ToString()? + ? " ——〉 " ;
38 ????????????????results? += ? " 當前的計數： " ;
39 ????????????????results? += ?MyCounter.GetCounter().ToString();
40 ????????????????results? += ? " \n " ;
41
42 ????????????????Console.WriteLine(results);
43 ????????????????
44 ???????????????? /**/ /// 清空顯示字符串
45 ?????????results? = ? "" ;
46 ????????????}
47 ????????}
48
49 ???????? public ? void ?StartMain()
50 ???????? {
51
52 ????????????Thread?thread0? = ?Thread.CurrentThread;?
53 ???
54 ????????????thread0.Name? = ? " Thread?0 " ;?
55 ???
56 ????????????Thread?thread1? = new ?Thread( new ?ThreadStart(DoSomeWork));?
57 ???
58 ????????????thread1.Name? = ? " Thread?1 " ;?
59 ???
60 ????????????Thread?thread2? = new ?Thread( new ?ThreadStart(DoSomeWork));?
61 ???
62 ????????????thread2.Name? = ? " Thread?2 " ;?
63 ???
64 ????????????Thread?thread3? = new ?Thread( new ?ThreadStart(DoSomeWork));?
65 ???
66 ????????????thread3.Name? = ? " Thread?3 " ;?
67 ???
68 ????????????thread1.Start();?
69 ???
70 ????????????thread2.Start();?
71 ???
72 ????????????thread3.Start();?
73 ????????????
74 ???????????? /**/ /// 線程0也只執行和其他線程相同的工作
75 ????????????DoSomeWork();?
76 ????????}
77 ????}
78 }
79

?1 using ?System;
?2 using ?System.Text;
?3 using ?System.Threading;
?4
?5 namespace ?SigletonPattern.SigletonCounter
?6 {
?7 ???? /**/ /// ? <summary>
?8 ???? /// ?功能：實現多線程計數器的客戶端
?9 ???? /// ?編寫：Terrylee
10 ???? /// ?日期：2005年12月06日
11 ???? /// ? </summary>
12 ???? public ? class ?CountClient
13 ???? {
14 ???????? public ? static ? void ?Main( string []?args)
15 ???????? {
16 ???????CountMutilThread?cmt? = ? new ?CountMutilThread();
17
18 ????????????cmt.StartMain();
19
20 ????????????Console.ReadLine();
21 ????????}
22 ????}
23 }
24

總結

Sigleton 設計模式是一個非常有用的機制，可用于在面向對象的應用程序中提供單個訪問點。文中通過五種實現方式的比較和一個完整的示例，完成了對 Sigleton 模式的一個總結和探索。用一句廣告詞來概括 Sigleton 模式就是“簡約而不簡單”。

源碼下載：/Files/Terrylee/SigletonPattern.rar

一、?單例（Singleton）模式

單例模式的特點：

• 單例類只能有一個實例。
• 單例類必須自己創建自己的唯一實例。
• 單例類必須給所有其它對象提供這一實例。

單例模式應用：

• 每臺計算機可以有若干個打印機，但只能有一個Printer Spooler，避免兩個打印作業同時輸出到打印機。
• 一個具有自動編號主鍵的表可以有多個用戶同時使用，但數據庫中只能有一個地方分配下一個主鍵編號。否則會出現主鍵重復。

二、?Singleton模式的結構：

Singleton模式包含的角色只有一個，就是Singleton。Singleton擁有一個私有構造函數，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。（關于線程問題以及C#所特有的Singleton將在后面詳細論述）。

三、?程序舉例：

該程序演示了Singleton的結構，本身不具有任何實際價值。

// ?Singleton?pattern?--?Structural?example??
using ?System;

// ?"Singleton"
class ?Singleton
{
?? // ?Fields
?? private ? static ?Singleton?instance;

?? // ?Constructor
?? protected ?Singleton()? {}

?? // ?Methods
?? public ? static ?Singleton?Instance()
?? {
???? // ?Uses?"Lazy?initialization"
???? if (?instance? == ? null ?)
??????instance? = ? new ?Singleton();

???? return ?instance;
??}
}

/**/ /// ? <summary>
/// ?Client?test
/// ? </summary>
public ? class ?Client
{
?? public ? static ? void ?Main()
?? {
???? // ?Constructor?is?protected?--?cannot?use?new
????Singleton?s1? = ?Singleton.Instance();
????Singleton?s2? = ?Singleton.Instance();

???? if (?s1? == ?s2?)
??????Console.WriteLine(? " The?same?instance " ?);
??}
}

四、?在什么情形下使用單例模式：

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。反過來，如果一個類可以有幾個實例共存，就不要使用單例模式。

注意：

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。

五、?Singleton模式在實際系統中的實現

下面這段Singleton代碼演示了負載均衡對象。在負載均衡模型中，有多臺服務器可提供服務，任務分配器隨機挑選一臺服務器提供服務，以確保任務均衡（實際情況比這個復雜的多）。這里，任務分配實例只能有一個，負責挑選服務器并分配任務。

// ?Singleton?pattern?--?Real?World?example??

using ?System;
using ?System.Collections;
using ?System.Threading;

// ?"Singleton"
class ?LoadBalancer
{
?? // ?Fields
?? private ? static ?LoadBalancer?balancer;
?? private ?ArrayList?servers? = ? new ?ArrayList();
?? private ?Random?random? = ? new ?Random();

?? // ?Constructors?(protected)
?? protected ?LoadBalancer()
?? {
???? // ?List?of?available?servers
????servers.Add(? " ServerI " ?);
????servers.Add(? " ServerII " ?);
????servers.Add(? " ServerIII " ?);
????servers.Add(? " ServerIV " ?);
????servers.Add(? " ServerV " ?);
??}

?? // ?Methods
?? public ? static ?LoadBalancer?GetLoadBalancer()
?? {
???? // ?Support?multithreaded?applications?through
???? // ?"Double?checked?locking"?pattern?which?avoids
???? // ?locking?every?time?the?method?is?invoked
???? if (?balancer? == ? null ?)
???? {
?????? // ?Only?one?thread?can?obtain?a?mutex
??????Mutex?mutex? = ? new ?Mutex();
??????mutex.WaitOne();

?????? if (?balancer? == ? null ?)
????????balancer? = ? new ?LoadBalancer();

??????mutex.Close();
????}
???? return ?balancer;
??}

?? // ?Properties
?? public ? string ?Server
?? {
???? get
???? {
?????? // ?Simple,?but?effective?random?load?balancer
?????? int ?r? = ?random.Next(?servers.Count?);
?????? return ?servers[?r?].ToString();
????}
??}
}

/**/ /// ? <summary>
/// ?SingletonApp?test
/// ? </summary>
///
public ? class ?SingletonApp
{
?? public ? static ? void ?Main(? string []?args?)
?? {
????LoadBalancer?b1? = ?LoadBalancer.GetLoadBalancer();
????LoadBalancer?b2? = ?LoadBalancer.GetLoadBalancer();
????LoadBalancer?b3? = ?LoadBalancer.GetLoadBalancer();
????LoadBalancer?b4? = ?LoadBalancer.GetLoadBalancer();

???? // ?Same?instance?
???? if (?(b1? == ?b2)? && ?(b2? == ?b3)? && ?(b3? == ?b4)?)
??????Console.WriteLine(? " Same?instance " ?);

???? // ?Do?the?load?balancing
????Console.WriteLine(?b1.Server?);
????Console.WriteLine(?b2.Server?);
????Console.WriteLine(?b3.Server?);
????Console.WriteLine(?b4.Server?);
??}
}

六、?C#中的Singleton模式

C#的獨特語言特性決定了C#擁有實現Singleton模式的獨特方法。這里不再贅述原因，給出幾個結果：

方法一：

下面是利用.NET Framework平臺優勢實現Singleton模式的代碼：

sealed ? class ?Singleton
{
??? private ?Singleton();
??? public ? static ? readonly ?Singleton?Instance = new ?Singleton();
}

這使得代碼減少了許多，同時也解決了線程問題帶來的性能上損失。那么它又是怎樣工作的呢？

注意到，Singleton類被聲明為sealed，以此保證它自己不會被繼承，其次沒有了Instance的方法，將原來_instance成員變量變成public readonly，并在聲明時被初始化。通過這些改變，我們確實得到了Singleton的模式，原因是在JIT的處理過程中，如果類中的static屬性被任何方法使用時，.NET Framework將對這個屬性進行初始化，于是在初始化Instance屬性的同時Singleton類實例得以創建和裝載。而私有的構造函數和readonly(只讀)保證了Singleton不會被再次實例化，這正是Singleton設計模式的意圖。
（摘自：http://www.cnblogs.com/huqingyu/archive/2004/07/09/22721.aspx ）

不過這也帶來了一些問題，比如無法繼承，實例在程序一運行就被初始化，無法實現延遲初始化等。

詳細情況可以參考微軟MSDN文章：《Exploring the Singleton Design Pattern》

方法二：

既然方法一存在問題，我們還有其它辦法。

public ? sealed ? class ?Singleton
{
??Singleton()
?? {
??}

?? public ? static ?Singleton?GetInstance()
?? {
???? return ?Nested.instance;
??}
????
?? class ?Nested
?? {
???? // ?Explicit?static?constructor?to?tell?C#?compiler
???? // ?not?to?mark?type?as?beforefieldinit
???? static ?Nested()
???? {
????}

???? internal ? static ? readonly ?Singleton?instance? = ? new ?Singleton();
??}
}

這實現了延遲初始化，并具有很多優勢，當然也存在一些缺點。詳細內容請訪問：《Implementing the Singleton Pattern in C#》。文章包含五種Singleton實現，就模式、線程、效率、延遲初始化等很多方面進行了詳細論述。