设计模式（01）：创建型模式(一) 单例模式（Singleton）



一、动机（Motivation）

在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率。

如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例？

这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。

二、意图（Intent）

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点

三、结构（Structure）

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。

四、单例模式的代码实现

1、单线程Singleton模式的实现

public sealed class Singleton
{
    private static Singleton uniqueInstance;// 定义一个静态变量来保存类的实例

    private Singleton() // 定义私有构造函数，使外界不能创建该类实例
    {
    }

    /// 

    /// 定义公有方法提供一个全局访问点,同时你也可以定义公有属性来提供全局访问点
    /// 
    /// 
    public static Singleton GetInstance()
    {
        if (uniqueInstance == null)// 如果类的实例不存在则创建，否则直接返回
        {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

私有的实例构造器是为了屏蔽默认产生的构造器，让类的使用者无法调用构造器。

单线程Singleton模式的几个要点

Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。

Singleton模式一般不要支持ICloneable接口，因为这可能会导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背。

Singleton模式一般不要支持序列化，因为这也有可能导致多个对象实例，同样与Singleton模式的初衷违背。

Singleton模式只考虑到了对象创建的管理，没有考虑对象销毁的管理。就支持垃圾回收平台和对象的开销来讲，我们一般没有必要对其销毁进行特殊的管理。

不能应对多线程环境：在多线程环境下，使用Singleton模式仍然有可能得到Singleton类的多个实例对象。

2、双多线程重锁定（Double Check）Singleton模式的实现

public sealed class Singleton
{
    private static volatile Singleton uniqueInstance;// volatile关键字知识此成员变量能被多个线程访问。
    
    private static readonly object locker = new object();// 定义一个标识确保线程同步

    private Singleton()// 定义私有构造函数，使外界不能创建该类实例
    {
    }

    public static Singleton GetInstance()
    {
        if (uniqueInstance == null)//先判断不存在再枷锁
        {
            lock (locker)
            {
                if (uniqueInstance == null)// 如果类的实例不存在则创建，否则直接返回
                {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

volatile修饰符：编译器在编译代码的时候会对代码的顺序进行微调，用volatile修饰保证了严格意义的顺序。一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。

3、使用C#语言的“静态初始化”特性来实现单例的Singleton模式。（.Net中实现Singleton的首选方法）

内联初始化（生成的同时进行初始化）:

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

    public static Singleton GetInstance()
    {
        return Singleton.instance;
    }

    private Singleton()//私有构造函数，防止外界调用
    {
       //...
     }
}

它等同于：

public sealed class Singleton
{
    public static readonly Singleton instance;

    //静态构造函数，初始化静态变量。CLR只执行一次
    static Singleton()
    {
        instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton GetInstance()
    {
        return Singleton.instance;
    }

    private Singleton()//私有构造函数，防止外界调用
    {
       //...
    }
}

另一种优雅写法是要用到.net 4.0里Lazy

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Lazy lazy =
        new Lazy(() => new Singleton());

    public static Singleton Instance => lazy.Value;

    private Singleton()
    {
    }
}

只要想访问静态字段，必定已经在之前执行了静态构造器。这样也能够精确地保证使用的时候一定能拿到实例，如果不使用也不会实例化对象，也就是延时加载的功能。他同样能够支持多线程环境，因为只可能有一个线程执行静态构造器，不可能有多个线程去执行静态构造器，感觉就是程序已经自动为我们加锁了。它的一点弊端就是它不支持参数化的实例化方法。

在.NET里静态构造器只能声明一个，而且必须是无参数的，私有的。因此这种方式只适用于无参数的构造函数。

五、.NET框架中的Singleton应用

t1==t2 这说明，GetType方法获得的Type实例都是单例。

HttpContext.Current也是如此，他们是通过Singleton的扩展方式实现的，他们的单例也并不是覆盖所有领域，只是针对某些局部领域中，是单例的，不同的领域中还是会有不同的实例。