.Net設計模式之單例模式

單例模式的介紹

在軟件的開發過程中，很多時候，我們需要對一個類進行實例化后，再使用，有時這個類比較簡單，有時也可能會很復雜，但不管怎樣，為了保證軟件的質量和效率，大多數時候，我們只希望它被實例化一次，所以這就需要引入單例模式（Singleton Pattern）了。單例模式，即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。那，怎么做到呢？為不不被實例化多個對象，就可以讓類自身負責保存它的唯一實例。軟件中重復使用某個類時，為了防止多次實例化產生的資源消耗，這個時候就應該使用單例設計模式了。如：網絡請求、數據庫操作等。

上面為單例的類圖

單例要點

1. 構造函數不對外開放，一般為 private;
2. 通過一個靜態方法或者枚舉返回單例對象；
3. 確保單例類的對象有且只有一個，尤其是在多線程環境下；
4. 確保單例類對象在反序列化時不會被重新構建對象。

代碼示例

簡單實現

    public class Singleton
    {
        private static Singleton instance;

        /// <summary>
        /// 構造方法為private，可以僻免外界通過利用new創建此類實例的可能
        /// </summary>
        private Singleton() { }

        /// <summary>
        /// 此方法為獲得本類實例的唯一全局訪問點
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static Singleton GetInstance() 
        {
            if (instance == null)
            {
                return instance;
            }
            return instance;
        }
    }

上面的寫法，可以實現單例模式，在單線程的情況下，並沒有問題，但如果在多線程的環境下，兩個或更多的線程同時判斷 instance == null 為 true, 那么這個類仍然可以被多次實例化，那么它是不安全的，並不是真正的單例。這個時候，我們就會想到，可以在這之前，加上 lock 解決問題。提示代碼如下：

線程安全

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

        /// <summary>
        /// 構造方法為private，可以僻免外界通過利用new創建此類實例的可能
        /// </summary>
        //private Singleton() { }

        /// <summary>
        /// 此方法為獲得本類實例的唯一全局訪問點
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static Singleton GetInstance() 
        {
            lock (locker)
            {
                if (instance == null)
                {
                    return instance;
                }
            }
            return instance;
        }
    }

lock( locker) // 在同一時刻加了鎖的那部分程序，只有一個線程可以進入，其他線程要進入，只能待已進行的線程退出lock程序塊后，才能進入，這就保證了線程安全，不會創建多個實例。現在線程安全是解決了，但還是有個小問題，每次獲取實例的時候，都需要加鎖，然后才能判斷實例是否被創建了，怎么解決這個問題？這就需要再引入一個 雙重鎖 的做法了。

雙重鎖定

    /// <summary>
    /// 
    /// </summary>
    public class Singleton
    {
        private static readonly object locker = new object();
        private static Singleton instance;

        /// <summary>
        /// 構造方法為private，可以僻免外界通過利用new創建此類實例的可能
        /// </summary>
        //private Singleton() { }

        /// <summary>
        /// 此方法為獲得本類實例的唯一全局訪問點
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static Singleton GetInstance() 
        {
            // 判斷1
            if (instance == null)
            {
                lock (locker)
                {
                    // 判斷2
                    if (instance == null)
                    {
                        return instance;
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

上面的代碼，在lock(locker) 前后，都加入了 對實例是否創建的判斷， 判斷1 主要是考慮到在實例已經被創建后，僻免程序再鎖定 后面的程序塊，減少資源的浪費，判斷2 是為了 在沒有創建實例的情況下才創建實例。經過多次改造后的單例，看似完美，但還是在獲取實例的時候需要去判斷實例是不是被創建了，那么，有沒有別的方式每次都去判斷呢？答案是有的，C#與公共語言運行庫也提供了一種 "靜態初始化" 方法，這種方法不需要開發人員顯式地編寫線程安全代碼。

靜態初始化

    /// <summary>
    /// 這里用到了 sealed 主要是不讓其他類繼承，而繼承可能會增加實例
    /// </summary>
    public sealed class Singleton
    {
        //在第一次引用類的任何成員時創建實例，由公共語言運行庫負責處理變量的初始化
        private static readonly Singleton instance = new Singleton();

        //構造函數私有化，是為了不被通過 new 達到實例化的目的
        private Singleton() { }

        public static Singleton GetSingleton() {
            return instance;
        }
    }

這個實現方式與前面的示例類似，都是解決了單例模式試圖解決的兩個基本問題：全局訪問和實例化控制，公共靜態屬性是為訪問實例提供了一個全局訪問點。不同的地方在於它依賴公共語言運行庫來初始化變量。再就是它的構造方法標記為私有，所以不能在類本身以外的地方通過 new 來實例化 Singleton 類；因此變量引用的是可以在系統中存在唯一的實例。值得注意的是，instance 變量標記為 readonly，也就是只能在靜態初始化期間 或 在類的構造函數中分配變量。關於 sealed 的關鍵字，也可以在上面幾個類中使用，只是類可能要稍加改動。

最后，感覺各位能花時間看到這里，謝謝，歡迎留言交流。

參考文獻：

大話設計模式 程傑 著