# Singleton 模式简介

单例模式 (Singleton Pattern) 是 设计模式中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。

# 运用场景分析

同我们经常使用的 IDE 的工具菜单一样,所对应的对象需要是唯一的,无论我们点击菜单选项多少次,都只会被创建一次,在比如我们使用的通讯工具 QQ , 在一台电脑上一个账号只允许被登录一次

那么问题就来了 如何确保一个类的实例是独一无二的 (它是这个类的唯一实例), 并且这个实例易于被访问呢?

可行的两个解决方案

  • 全局变量:全局变量可以使得一个对象可以全局被访问,但它不能防止你实例化多个对象。因为你的任何代码都能修改全局变量,这将不可避免的引起更多调试的意外。
  • 类构造函数私有和类自身的静态方法:让类自身负责保存它的唯一实例 (静态变量)。这个类可以保证没有其他实例可以被创建 (通过截取创建新对象的请求), 并且它可以提供一个访问该实例的方法 (静态方法)。这就是 Singleton 模式

# Singleton 模式结构分析

同上面总结的基本一致,单例类的构造函数是私有的,让类自身负责保存它的唯一实例 (静态变量),类对象的创建由这个类自身负责,其他地方的访问只是通过这个类得到他自身创建的唯一实例化对象

UML 如下

Singleton_Partten_UML

# Singleton 模式关键特征

关键特征

  • 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:
    1. 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。

注意事项: GetInstance() 方法中需要使用同步锁防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

# 具体实现

# Step1: 创建单例类

SingleObject.cs

sing System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
namespace SingletonPatternDemo_单例模式_
{
    class SingleObject
    {
        private static SingleObject instance = null;
        // 用来看看单例对象的引用和实例化次数
        private static int cntReference;
        private static int cntInstance;
        private SingleObject()
        {
            cntReference = 0;
            cntInstance = 0;
        }
        public static SingleObject GetInstance()
        {
            if (instance == null)
            {
                instance = new SingleObject();
                ++cntInstance;
            }
            ++cntReference;
            return instance;
        }
        public void ShowMessage()
        {
            Console.WriteLine("这是第{0}次调用这个单例对象,对象被实例化{1}次", cntReference, cntInstance);
        }
    }
}

# Step2: 创建客户端,调用单例对象进行相关操作

Clent.cs

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
namespace SingletonPatternDemo_单例模式_
{
    class Client
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 不合法的构造函数
            // 编译时错误:构造函数 SingleObject () 是不可见的
            //SingleObject obj = new SingleObject();
            SingleObject obj = SingleObject.GetInstance();
            obj.ShowMessage();
            SingleObject obj1 = SingleObject.GetInstance();
            obj1.ShowMessage();
            SingleObject obj2 = SingleObject.GetInstance();
            obj2.ShowMessage();
        }
    }
}

输出结果

这是第1次调用这个单例对象,对象被实例化1次
这是第2次调用这个单例对象,对象被实例化1次
这是第3次调用这个单例对象,对象被实例化1次

# 单例的几种实现方式

懒汉式, 线程不安全
public class Singleton
{
    private static Singleton instance;
    private Singleton() { }
    public static Singleton GetInstance()
    {
        if (instance == null)
        {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
  • 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 synchronized , 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。
懒汉式,线程安全
public class Singleton
{
    private static Singleton instance;
    // 由于运行时 instance 是否创建未知无法 lock (instance)
    // 程序运行时创建一个静态只读的进程辅助对象
    private static readonly object syncRoot = new object();
    private Singleton() { }
    public static  Singleton GetInstance()
    {
        lock (syncRoot)
        {
            if (instance == null)
            {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
}
  • 描述: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。
  • 缺点:必须加锁 (lock 语句) 才能保证单例,但加锁会影响效率。
饿汉式
//sealed 关键字阻止派生
public sealed class Singleton
{
    private static readonly Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton() { }
    public static Singleton getInstance()
    {
        return instance;
    }
}
  • 描述:这种方式比较常用,基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题, instance 在类装载时就实例化。
  • 优点:没有加锁,执行效率会提高。
  • 缺点:类加载时就初始化,浪费内存,容易产生垃圾对象,没有达到 lazy loading 的效果。
双检锁/双重校验锁(DCLdouble-checked locking)
public class Singleton
{
    private static Singleton instance;
    private static readonly object syncRoot = new object();
    private Singleton() { }
    public static  Singleton GetInstance()
    {
        if (instance == null)
        {
            lock (syncRoot)
            {
                if (instance == null)
                {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
  • 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,这其实也算一种懒汉式。

# 几种方法的汇总

实现方式是否 Lazy 初始化是否多线程安全实现难度
懒汉式,线程不安全
懒汉式,线程安全
饿汉式
双检锁 / 双重校验锁较复杂

注:在程序被加载就创建了对象将自己实例化的行为称之为 饿汉式,而在第一次被引用才将自己实例化的行为称之为 懒汉式

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