【面试题2】实现Singleton模式

【题目描述】

设计一个类，我们只能生成该类的一个实例。

【解决方案】

1. 只适用于单线程环境

单线程环境下可以正常工作。

但是在多线程环境下，如果两个线程同时判断到instance为null，那么这两个线程都会创建一个实例，此时的Singleton就不满足单例模式的要求了。

    public sealed class Singleton
    {
        private Singleton()
        { 
        }

        private static Singleton instance = null;
        public static Singleton Instance
        {
            get
            {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton();
                return instance;
            }            
        }
    }

2. 多线程环境能工作，但效率不高

加同步锁处理后，能保证在多线程环境中也只创建一个实例。

但是由于在调用属性Instance时都会加同步锁，加锁又是一个非常耗时的操作，在没有必要的时候我们应该尽量避免。

    public sealed class Singleton
    {
        private Singleton()
        {
        }

        private static readonly Object syncObj = new object();

        private static Singleton instance = null;
        public static Singleton Instance
        {
            get
            {
                lock (syncObj)
                {
                    if (instance == null)
                        instance = new Singleton();
                }
                return instance;
            }
        }
    }

 3. 加同步锁前后两次判断实例是否已经存在

加锁之前进行判断实例是否已经创建，可以保证实例已经创建后，则可以直接返回instance，而无需去进行加锁操作，保证只创建一个实例，相比上述方法，也提高了效率。

由于此代码实现比较繁杂且容易出错，我们可以尝试更好的解决方案。

    public sealed class Singleton
    {
        private Singleton()
        {
        }

        private static readonly Object syncObj = new object();

        private static Singleton instance = null;
        public static Singleton Instance
        {
            get
            {
                if (instance == null)
                {
                    lock (syncObj)
                    {
                        if (instance == null)
                            instance = new Singleton();
                    }
                }
                return instance;
            }
        }
    }

4. 利用静态构造函数

由于C#是在调用静态构造函数时初始化静态变量，.NET运行时能够确保只调用一次静态构造函数，这样我们就可以确保只初始化一次instance。

但是，根据静态构造函数的特性，实例instance并不是第一次调用属性Singleton.Instance时创建，而是在第一次用到Singleton的时候就会被创建。假设我们在Singleton中添加一个静态方法调用该静态方法是不需要创建实例的，但是由于你使用了Singleton，他会自动调用静态构造函数并创建实例，造成过早地创建实例，从而降低内存的使用效率。

    public sealed class Singleton
    {
        private Singleton()
        {
        }

        private static Singleton instance = new Singleton();
        public static Singleton Instance
        {
            get
            {
                return instance;
            }
        }
    }

5. 实现按需创建实例

内部定义一个私有类型Nested，类型Nested只在调用Singeton.Instance时被使用，由于其私有属性他人无法使用Nested类型。

因此当我们第一次调用Sington.Instance时，会调用Nested的静态构造函数，并初始化静态变量。如果我们不调用属性Sington.Instance，则不会创建instance实例，这样就做到了按需创建。

    public sealed class Singleton
    {
        Singleton()
        {
        }

        public static Singleton Instance
        {
            get
            {
                return Nested.instance;
            }
        }

        class Nested
        {
            static Nested()
            {
            }
            internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
        }
    }

【本题扩展】

五种单例模式的实现把类型标记为sealed，表示他们不能作为其他类型的基类。现在我们要定义一个表示总统的类型President，可以从该类型继承出FrenchPresident和AmericanPresident等类型，这些派生类都只能产生一个实例。请问该如何设计实现这些类型？

我的代码实现，仅供参考：

    class President
    {
    }

    sealed class FrenchPresident:President
    {
        FrenchPresident()
        {
        }

        public static FrenchPresident Instance
        {
            get
            {
                return Nested.instance;
            }
        }

        class Nested
        {
            static Nested()
            {
            }
            internal static readonly FrenchPresident instance = new FrenchPresident();
        }
    }

    sealed class AmericanPresident : President
    {
        AmericanPresident()
        {
        }

        public static AmericanPresident Instance
        {
            get
            {
                return Nested.instance;
            }
        }

        class Nested
        {
            static Nested()
            {
            }
            internal static readonly AmericanPresident instance = new AmericanPresident();
        }
    }