设计模式 之 --- 单例（Singleton）模式

一、 单例（Singleton）模式

单例模式的特点：

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其它对象提供这一实例。

单例模式应用：

• 每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，避免两个打印作业同时输出到打印机。
• 一个具有自动编号主键的表可以有多个用户同时使用，但数据库中只能有一个地方分配下一个主键编号。否则会出现主键重复。

二、 Singleton模式的结构：

Singleton模式包含的角色只有一个，就是Singleton。Singleton拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new直接实例它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量instance与静态公有方法Instance()。Instance方法负责检验并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。（关于线程问题以及C#所特有的Singleton将在后面详细论述）。

三、 程序举例：

该程序演示了Singleton的结构，本身不具有任何实际价值。

//  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、 在什么情形下使用单例模式：

使用Singleton模式有一个必要条件：在一个系统要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来，如果一个类可以有几个实例共存，就不要使用单例模式。

注意：

不要使用单例模式存取全局变量。这违背了单例模式的用意，最好放到对应类的静态成员中。

不要将数据库连接做成单例，因为一个系统可能会与数据库有多个连接，并且在有连接池的情况下，应当尽可能及时释放连接。Singleton模式由于使用静态成员存储类实例，所以可能会造成资源无法及时释放，带来问题。

五、 Singleton模式在实际系统中的实现

下面这段Singleton代码演示了负载均衡对象。在负载均衡模型中，有多台服务器可提供服务，任务分配器随机挑选一台服务器提供服务，以确保任务均衡（实际情况比这个复杂的多）。这里，任务分配实例只能有一个，负责挑选服务器并分配任务。

//  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#的独特语言特性决定了C#拥有实现Singleton模式的独特方法。这里不再赘述原因，给出几个结果：

方法一：

下面是利用.NET Framework平台优势实现Singleton模式的代码：

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

这使得代码减少了许多，同时也解决了线程问题带来的性能上损失。那么它又是怎样工作的呢？

注意到，Singleton类被声明为sealed，以此保证它自己不会被继承，其次没有了Instance的方法，将原来_instance成员变量变成public readonly，并在声明时被初始化。通过这些改变，我们确实得到了Singleton的模式，原因是在JIT的处理过程中，如果类中的static属性被任何方法使用时，.NET Framework将对这个属性进行初始化，于是在初始化Instance属性的同时Singleton类实例得以创建和装载。而私有的构造函数和readonly(只读)保证了Singleton不会被再次实例化，这正是Singleton设计模式的意图。
（摘自：http://www.cnblogs.com/huqingyu/archive/2004/07/09/22721.aspx ）

不过这也带来了一些问题，比如无法继承，实例在程序一运行就被初始化，无法实现延迟初始化等。

详细情况可以参考微软MSDN文章：《Exploring the Singleton Design Pattern》

方法二：

既然方法一存在问题，我们还有其它办法。

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();
  }
}

这实现了延迟初始化，并具有很多优势，当然也存在一些缺点。详细内容请访问：《Implementing the Singleton Pattern in C#》 。文章包含五种Singleton实现，就模式、线程、效率、延迟初始化等很多方面进行了详细论述。

 1 namespace  DesignPattern.Template
 2 {
 3   /**/ ///   <summary>
 4   ///  这是Singleton设计模式的基本框架
 5   ///  Singleton模式是一种面向模式的全局变量创建方法
 6   ///  确保了在运行时只有Singleton类一个实例。
 7   ///   </summary>
 8 public   class  Singleton
 9 {
10   private   static  Singleton _defaultInstance;
11   /**/ ///   <summary>
12   ///  全局访问点
13   ///   </summary>
14   public   static  Singleton DefaultInstance
15   {
16    get
17    {
18     return  _defaultInstance;
19   }
20    set
21    {
22    DefaultInstance = value;
23   }
24  }
25      private  Singleton()
26   {
27       // 防止实例化
28     }
29  
30   private   void  PrintHello()
31   {
32   System.Console.WriteLine( " This is my first Singleton Pattern Class " );
33  }
34  
35  
36 }
37
38 class  Singleton_test
39 {
40  Singleton.DefaultInstance.PrintHello ();
41 }
42 }

                     【引用自 yqy542006 】