设计模式之单例模式--Singleton Pattern
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。
