深入淺出設計模式——單例模式（Singleton Pattern）

模式動機
對於系統中的某些類來說，只有一個實例很重要，例如，一個系統中可以存在多個打印任務，但是只能有一個正在工作的任務；一個系統只能有一個窗口管理器或文件系統；一個系統只能有一個計時工具或ID（序號）生成器。
如何保證一個類只有一個實例並且這個實例易於被訪問呢？定義一個全局變量可以確保對象隨時都可以被訪問，但不能防止我們實例化多個對象。
一個更好的解決辦法是讓類自身負責保存它的唯一實例。這個類可以保證沒有其他實例被創建，並且它可以提供一個訪問該實例的方法。這就是單例模式的模式動機。

模式定義
單例模式(Singleton Pattern)：單例模式確保某一個類只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例，這個類稱為單例類，它提供全局訪問的方法。
單例模式的要點有三個：一是某個類只能有一個實例；二是它必須自行創建這個實例；三是它必須自行向整個系統提供這個實例。單例模式是一種對象創建型模式。單例模式又名單件模式或單態模式。
Singleton Pattern: Ensure a class has only one instance and provide a global point of access to it.
Frequency of use: medium high
UML圖

模式結構
單例模式包含如下角色：
Singleton：單例

模式分析
單例模式的目的是保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。單例模式包含的角色只有一個，就是單例類——Singleton。單例類擁有一個私有構造函數，確保用戶無法通過new關鍵字直接實例化它。除此之外，該模式中包含一個靜態私有成員變量與靜態公有的工廠方法，該工廠方法負責檢驗實例的存在性並實例化自己，然后存儲在靜態成員變量中，以確保只有一個實例被創建。

在單例模式的實現過程中，需要注意如下三點：
單例類的構造函數為私有；
提供一個自身的靜態私有成員變量；
提供一個公有的靜態工廠方法。

實例：身份證號碼
在現實生活中，居民身份證號碼具有唯一性，同一個人不允許有多個身份證號碼，第一次申請身份證時將給居民分配一個身份證號碼，如果之后因為遺失等原因補辦時，還是使用原來的身份證號碼，不會產生新的號碼。
Singleton.cs

namespace SingletonPattern
{
    class Singleton
    {
        private static Singleton instance;
        //構造方法讓其private，這就堵死了外界利用new創建此類實例的可能
        private Singleton()
        {
        }
        //此方法是獲得本類實例的唯一全局訪問點
        public static Singleton GetInstance()
        {
            //若實例不存在，則new一個新實例，否則返回已有的實例
            if (instance == null)
            {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

客戶端代碼

using System;

namespace SingletonPattern
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Singleton s1 = Singleton.GetInstance();
            Singleton s2 = Singleton.GetInstance();
            if (s1 == s2)
            {
                Console.WriteLine("兩個對象是相同的實例");
            }

            Console.Read();
        }
    }
}

單例模式的優點
 提供了對唯一實例的受控訪問。因為單例類封裝了它的唯一實例，所以它可以嚴格控制客戶怎樣以及何時訪問它，並為設計及開發團隊提供了共享的概念。
 由於在系統內存中只存在一個對象，因此可以節約系統資源，對於一些需要頻繁創建和銷毀的對象，單例模式無疑可以提高系統的性能。
 允許可變數目的實例。我們可以基於單例模式進行擴展，使用與單例控制相似的方法來獲得指定個數的對象實例。

單例模式的缺點
 由於單例模式中沒有抽象層，因此單例類的擴展有很大的困難。
 單例類的職責過重，在一定程度上違背了“單一職責原則”。因為單例類既充當了工廠角色，提供了工廠方法，同時又充當了產品角色，包含一些業務方法，將產品的創建和產品的本身的功能融合到一起。
 濫用單例將帶來一些負面問題，如為了節省資源將數據庫連接池對象設計為單例類，可能會導致共享連接池對象的程序過多而出現連接池溢出；現在很多面向對象語言(如Java、C#)的運行環境都提供了自動垃圾回收的技術，因此，如果實例化的對象長時間不被利用，系統會認為它是垃圾，會自動銷毀並回收資源，下次利用時又將重新實例化，這將導致對象狀態的丟失。

模式適用環境
在以下情況下可以使用單例模式：
 系統只需要一個實例對象，如系統要求提供一個唯一的序列號生成器，或者需要考慮資源消耗太大而只允許創建一個對象。
 客戶調用類的單個實例只允許使用一個公共訪問點，除了該公共訪問點，不能通過其他途徑訪問該實例。
 在一個系統中要求一個類只有一個實例時才應當使用單例模式。反過來，如果一個類可以有幾個實例共存，就需要對單例模式進行改進，使之成為多例模式。