设计模式（十七）单例模式

单例模式（Singleton），保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。通常我们可以让一个全局变量使得一个对象被访问，但它不能防止你实例化多个对象。一个最好的办法就是，让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例可以被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。

单例模式因为 Singleton 类封装它的唯一实例，这样它可以严格地控制客户怎样访问它以及何时访问它。简单地说，就是对唯一实例的受控访问。

实用类，如 Math 类，也会采用私有化的构造方法来避免其有实例。但它们还是有很多不同，比如实用类不保存状态，仅提供一些静态方法或静态属性让你使用，而单例类是有状态的。实用类不能用于继承多态，而单例虽然实例唯一，却是可以有子类来继承。实用类只不过是一些方法属性的集合，而单例却是有着唯一的对象实例。

 基本方法

// 
class Singleton
{
  private static Singleton instance;

  // 构造方法让其 private，这就堵死了外界利用 new 创建此类实例的可能
  private Singleton()
  {
  }
 
  // 此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
  public static Singleton GetInstance()
  {
    if(instance == null)
    {
      instance = new Singleton();
    }
    return instance;
  }
}

 多线程时的单例

为了防止多线程同时创建多个实例，可以给进程加一把锁来处理。lock 是确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不进入临界区。如果其他线程试图进入锁定的代码，则它将一直等待（即被阻止），直到该对象被释放。

// 
class Singleton
{
  private static Singleton instance;

  // 程序运行时创建一个静态只读的进程辅助对象
  private static readonly object syncRoot = new object();

  // 构造方法让其 private，这就堵死了外界利用 new 创建此类实例的可能
  private Singleton()
  {
  }
 
  // 此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
  public static Singleton GetInstance()
  {
    // 在同一个时刻加了锁的那部分程序只有一个线程可以进入
    lock(syncRoot)
    {
      if(instance == null)
      {
        instance = new Singleton();
      }
    }
    return instance;
  }
}

 双重锁定（Double-Check Locking）不用让线程每次都加锁，而只是在实例未被创建的时候再加锁处理。同时也能保证多线程的安全。

// 
class Singleton
{
  private static Singleton instance;

  // 程序运行时创建一个静态只读的进程辅助对象
  private static readonly object syncRoot = new object();

  // 构造方法让其 private，这就堵死了外界利用 new 创建此类实例的可能
  private Singleton()
  {
  }
 
  // 此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
  public static Singleton GetInstance()
  {
    // 先判断实例是否存在，不存在再加锁处理
    if(instance == null)
    {
      // 在同一个时刻加了锁的那部分程序只有一个线程可以进入
      lock(syncRoot)
      {
        if(instance == null)
        {
          instance = new Singleton();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
}

静态初始化

C# 与公共语言运行库也提供了一种 “静态初始化” 方法，这种方法不需要开发人员显式地编写线程安全代码，即可解决多线程环境下不安全的问题。

// sealed 阻止发生派生，而派生可能会增加实例
class sealed class Singleton
{
  // 在第一次引用类的任何成员时创建实例。公共语言运行库负责处理变量初始化
  private static readonly Singleton instance = new Singleton();

  // 构造方法让其 private，这就堵死了外界利用 new 创建此类实例的可能
  private Singleton()
  {
  }
 
  // 此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
  public static Singleton GetInstance()
  {
    return instance;
  }
}

【总结】

这样的实现与前面的示例类似，也是解决了单例模式试图解决的两个基本问题：全局访问 和 实例化控制。

公共静态属性为访问实例提供了一个全局访问点。不同之处在于它依赖公共语言运行库来初始化变量。由于构造方法是私有的，因此不能在类的本身以外实例化 Singleton 类；因此，变量引用的是可以在系统中存在的唯一实例。不过要注意的是，instance 变量标记为 readonly，这意味着只能在静态初始化期间或在类构造函数中分配变量。

由于这种静态初始化的方式是在自己被加载时就将自己实例化，所以被形象地称为饿汉式单例类，原先的单例模式处理方式是要在第一次被引用时，才会将自己实例化，所以就被称为懒汉式单例类。

饿汉式，即静态初始化的方式，它是类一加载就实例化的对象，所以要提前占用系统资源。懒汉式单例，会面临多线程访问的安全性问题，需要做双重锁定这样的处理才可以保证安全。

从C#语言角度来讲，饿汉式的单例类已经足够满足我们的需求了。