单例模式(Singleton Pattern) - 设计模式

# 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(DCL 即 double-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	是	否	易
懒汉式，线程安全	是	是	易
饿汉式	否	是	易
双检锁 / 双重校验锁	是	是	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