设计模式的艺术之道--单例模式

设计模式的艺术之道–单例模式

声明：本系列为刘伟老师博客内容总结(http://blog.csdn.net/lovelion)，博客中有完整的设计模式的相关博文，以及作者的出版书籍推荐

本系列内容思路分析借鉴了刘伟老师的博文内容，同时改用C#代码进行代码的演示和分析(Java资料过多 C#表示默哀).

本系列全部源码均在文末地址给出。

本系列开始讲解创建型模式，顾名思义，这类模式主要是为了解决类的创建问题。

• 创建型模式(Creational Pattern)关注对象的创建过程。分析你怎么来的
• 创建型模式对类的实例化过程进行了抽象，对用户隐藏了类的实例的创建细节。客户不知道你怎么来的
• 创建型模式描述如何将对象的创建和使用分离，让用户在使用对象时无须关心对象的创建细节。你用就行，别管我怎么来的。
• 创建型模式关注点 创建什么(What) 由谁创建(Who) 何时创建(When)
  6种常见的创建型模式

单例模式

对于一个软件系统的某些类而言，我们无须创建多个实例。举个大家都熟知的例子——Windows任务管理器，只能打开一个窗口。

1.1定义

• 单例模式 (Singleton Pattern)：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个唯一实例。
• 只有一个对象，并且这个对象需要对外提供一个访问的方式。(属性或者方法等)
• 这个唯一实例必须是自己创建(私有化构造函数)，必须自行向整个系统提供这个实例.（公开的属性或者方法）

1.2情景实例

问题描述

• 负载均衡设计
  菜鸟软件公司承接了一个服务器负载均衡(Load Balance)软件的开发工作，由于集群中的服务器需要动态删减，且客户端请求需要统一分发，因此需要确保负载均衡器的唯一性，只能有一个负载均衡器来负责服务器的管理和请求的分发，否则将会带来服务器状态的不一致以及请求分配冲突等问题。如何确保负载均衡器的唯一性是该软件成功的关键。

初步思路
使用单例模式进行系统的设计

将负载均衡器LoadBalancer设计为单例类，其中包含一个存储服务器信息的集合serverList，每次在serverList中随机选择一台服务器来响应客户端的请求
代码实现

namespace Singleton{    class LoadBalancer    {        //私有静态成员变量，存储唯一实例        private static LoadBalancer instance = null;        //服务器集合        private ArrayList serverList = null;        //私有构造函数        private LoadBalancer()        {            serverList = new ArrayList();        }        //公有静态成员方法，返回唯一实例        public static LoadBalancer GetLoadBalancer()        {            if (instance == null)            {                instance = new LoadBalancer();            }            return instance;        }        //增加服务器        //删除服务器        //使用Random类随机获取服务器    }    class Program    {        static void Main(string[] args)        {            //创建四个LoadBalancer对象            LoadBalancer balancer1,balancer2,balancer3,balancer4;            balancer1 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();            balancer2 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();            balancer3 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();            balancer4 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();            //判断服务器负载均衡器是否相同    if (balancer1 == balancer2 && balancer2 == balancer3 && balancer3 == balancer4)             {                Console.WriteLine("服务器负载均衡器具有唯一性！");            }            Console.Read();        }    }}

虽然创建了四个LoadBalancer对象，但是它们实际上是同一个对象，因此，通过使用单例模式可以确保LoadBalancer对象的唯一性。
现有缺点（未来变化）

• 由于需要多线程环境，现在出现了创建了多个实例对象的情况。
• 分析代码当第一次调用getLoadBalancer()方法，instance对象为null值，执行代码instance= new LoadBalancer()，在此过程中，由于要对LoadBalancer进行大量初始化工作，需要一段时间来创建LoadBalancer对象。而在此时，如果再一次调用getLoadBalancer()方法（通常发生在多线程环境中），由于instance尚未创建成功，仍为null值，判断条件(instance== null)为真值，因此代码instance= new LoadBalancer()将再次执行，导致最终创建了多个instance对象，这违背了单例模式的初衷，也导致系统运行发生错误。

如何改进
饿汉式单例类(越早吃饭 越好 所以一出生就立马创建好)

代码演示

namespace Singleton{    class EagerSingleton    {    //一出生直接创建        private static  EagerSingleton instance = new EagerSingleton();        private EagerSingleton()        { }        public static EagerSingleton getInstance()        {            return instance;        }    }}

懒汉式单例类与线程锁定(这一部分参考自剑指Offer)

• 和普通方式没什么大的区别，但是创建实例之前需要进行线程锁定(每种语言不太一样）

  class LazySingleton    {        private static LazySingleton instance = null;        private static readonly object syncObject = new object();        private LazySingleton()        { }        public static LazySingleton getInstance()        {             // 每个线程来之前先等待锁            lock (syncObject)            {                if (instance == null)                {                    instance = new LazySingleton();                }            }            return instance;        }    }}

• 性能考虑 加锁操作是很耗费性能的 加锁只有在第一次的创建实例的时候需要，如果实例已经创建则不需要进行加锁，使用双重锁定进行性能优化(脑海中想象一下代码的运行过程)

 class LazySingleton2    {        private static LazySingleton2 instance = null;        //程序运行时创建一个静态只读的辅助对象        private static readonly object syncRoot = new object();        private LazySingleton2() { }        public static LazySingleton2 GetInstance()        {            //第一重判断，先判断实例是否存在，不存在再加锁处理            if (instance == null)            {                //加锁的程序在某一时刻只允许一个线程访问                lock (syncRoot)                {                    //第二重判断                    if (instance == null)                    {                        instance = new LazySingleton2();  //创建单例实例                    }                }            }            return instance;        }    }

饿汉式单例类与懒汉式单例类比较

• 饿汉式单例类：无须考虑多个线程同时访问的问题；调用速度和反应时间优于懒汉式单例；资源利用效率不及懒汉式单例；系统加载时间可能会比较长(考虑简单，性能略低)

• 懒汉式单例类：实现了延迟加载；必须处理好多个线程同时访问的问题；需通过双重检查锁定等机制进行控制，将导致系统性能受到一定影响(考虑复杂，资源利用效率高)

1.3模式分析

动机和意图

• 如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问？
• (1) 全局变量：可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止创建多个对象
• (2) 让类自身负责创建和保存它的唯一实例，并保证不能创建其他实例，它还提供一个访问该实例的方法

一般结构

• 单例模式只包含一个单例角色：
  -Singleton（单例）：全局的唯一存在对象

改进的优点

• 提供了对唯一实例的受控访问
• 可以节约系统资源，提高系统的性能

现存的缺点

• 扩展困难（缺少抽象层）
• 单例类的职责过重
• 由于自动垃圾回收机制，可能会导致共享的单例对象的状态丢失

适用场景
(1) 系统只需要一个实例对象，或者因为资源消耗太大而只允许创建一个对象
(2) 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例
举例:小王去国际大酒店吃饭(国际大酒店的老板 是一个单例) 电脑品牌机的组装(华硕联想 可能有一天突然屏幕换成了空间触摸的 所有电脑都得换)
实例源代码
GitHub地址
百度云地址:链接: https://pan.baidu.com/s/1hsEhXUO 密码: 8xqu