单例模式

来源：互联网发布：淘宝怎么给子账号授权编辑：程序博客网时间：2024/06/07 19:36

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

1、单例类只能有一个实例，即唯一性。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例，即实例化控制。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例，即提供全局访问。

介绍

意图：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。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

1、一个党只能有一个主席。

2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。

3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。

2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

1、要求生产唯一序列号。

2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。

3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

步骤 1

创建一个 Singleton 类。

SingleObject.cs

[csharp] view plain copy
class SingleObject  
{  
    //创建 SingleObject的一个对象  
    private static SingleObject instance = new SingleObject();  
  
    //让构造函数为private,这样类就不会被实例化  
    private SingleObject(){}  
  
    //获取唯一可用对象  
    public static SingleObject getInstance()  
    {  
        return instance;  
    }  
  
    public void showMessage()  
    {  
        Console.WriteLine("Inside SingleObject::showMessage method");  
    }  
}  

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。

SingletonPatternDemo.cs

[csharp] view plain copy
using System;  
namespace Singleton_Pattern  
{  
    class SingletonPatternDemo  
    {  
        static void Main(string[] args)  
        {  
            //不合法的构造函数  
            //编译时错误：“Singleton_Pattern.SingleObject.SingleObject()”不可访问，因为它受保护级别限制  
            //SingleObject singleObject = new SingleObject();  
  
            //获取唯一可用的对象  
            SingleObject singleObject1 = SingleObject.getInstance();  
            SingleObject singleObject2 = SingleObject.getInstance();  
            if(singleObject1 == singleObject2)  
            {  
                Console.WriteLine("2个对象是相同的实例");  
            }  
            //显示消息  
            singleObject1.showMessage();  
            Console.Read();  
        }  
    }  
}  

步骤 3

验证输出。

[csharp] view plain copy
2个对象是相同的实例  
Inside SingleObject::showMessage method  

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

1、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 lock，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

代码实例：

[csharp] view plain copy
class Singleton_Lazy_Unsafe  
{  
    private static Singleton_Lazy_Unsafe instance;  
    private Singleton_Lazy_Unsafe() { }  
    public static Singleton_Lazy_Unsafe getInstance()  
    {  
        if (instance == null)  
            instance = new Singleton_Lazy_Unsafe();  
        return instance;  
    }  
}  

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

2、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：

在多线程中，多个线程同时访问单例类，调用getInstance()方法，会有可能造成创建多个实例的。这时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。如果其他线程视图进入锁定的代码，则它会一直等待（被阻止），直到对象被释放。

这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。对象实例由最先进入的那个线程创建，以后的线程在进入时不会再去创建对象实例了，由于有了lock,保证了多线程环境下的同时访问不会造成多个实例的生成。

缺点：每次调用getInstance方法都需要lock,影响性能。

代码实例：

[csharp] view plain copy
class Singleton_Lazy_Safe  
{  
    private static Singleton_Lazy_Safe instance;  
      
    //程序运行时创建一个静态只读的进程辅助对象,  
    //readonly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，从而确保syncRoot操作肯定是在单例实例化之后。  
    private static readonly object syncRoot = new object();  
    private Singleton_Lazy_Safe() { }  
    public static Singleton_Lazy_Safe getInstance()  
    {  
        lock(syncRoot)  
        {  
            if (instance == null)  
                instance = new Singleton_Lazy_Safe();  
        }  
        return instance;  
    }  
}  

3、懒汉式，双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。getInstance() 的性能对应用程序很关键。

优点：不用让线程每次都加锁，而只是在实例未被创建时再加锁处理，同时保证多线程的安全，
缺点：比较复杂

代码实例：

[csharp] view plain copy
class Singleton_Lazy_DoubleCheck  
{  
    private static Singleton_Lazy_DoubleCheck instance;  
    private static readonly object syncRoot = new object();  
    private Singleton_Lazy_DoubleCheck() { }  
    public static Singleton_Lazy_DoubleCheck getInstance()  
    {  
        if(instance == null) //先判断实例是否存在，不存在再加锁处理  
        {  
            lock(syncRoot)  
            {  
                if (instance == null)  
                    instance = new Singleton_Lazy_DoubleCheck();  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}  

细节：代码外面已经判断了instance实例是否存在，为什么还要在lock里面再实例是否存在的判断？因为当instance为null并且同时2个线程调用getInstance方法时，它们都可以通过第一层instance==null的判断。然后由于lock机制，这2个线程则只有一个进入，另一个在外排队等候，必须要其中一个进入并出来后，另一个才能进入。而此时如果没有了第二层的instance为null的判读，则第一个线程创建了实例，而第二个线程还是可以继续再创建新的实例，这就没有达到单例的目的了。

4、饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。解决了线程不安全的问题。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

代码实例：

[csharp] view plain copy
<span style="font-weight: normal;"> sealed class Singeton_Hungry  //sealed防止发生派生，而派生可能会增加实例
{
     private static readonly Singeton_Hungry instance = new Singeton_Hungry();
     private Singeton_Hungry() { }
     public static Singeton_Hungry getInstance()
     {
         return instance;
     }
}</span>

5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：一般

描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

代码实例：

[csharp] view plain copy
class Singleton  
{    
    static class SingletonHolder   
    {    
        public static readonly Singleton instance = new Singleton();    
    }  
    private Singleton() { }  
    public static Singleton getInstance()  
    {  
        return SingletonHolder.instance;  
    }    
}     

总结

饿汉式：利用静态初始化的方式在自己被加载时就将自己实例化，所以要提前占用系统资源。

懒汉式：在第一次被引用时才会将自己实例化。

一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 4种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 3 种双检锁方式。

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