设计模式之单例模式

 

单例模式简介

单例模式是GOF 23个设计模式中最简单的模式了，它提供了一种创建唯一对象的最佳实现，注意此处的简单只是表述和意图很简单，但是实现起来，尤其是实现一个优美的单例模式却没有那么简单。

单例模式归根结底就是要确保一个类只有一个实例，并提供一个全局方式来访问该实例。具体而言，这种模式涉及到一个类，并由这个类创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建，并提供唯一一种方式来访问该对象的实例。

在现实生活中，单例的场景有很多，比如一夫一妻制(当然不道德的除外)，比如一个部门只有一个领导等等。

单例模式UML类图

 如上图所示：

1、单例类只能有一个实例。

2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

4、构造函数是私有的。

范例

Double-Check

我们先看一个非常流行而又简单的实现

public sealed class Singleton
{
    private static Singleton instance = null;
    private static readonly object padlock = new object();

    private Singleton()
    {
    }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if (instance == null)
            {
                lock (padlock)
                {
                    if (instance == null)
                    {
                        instance = new Singleton();
                        //Do a heavy task
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
}

上述解决方案上，使用到了Double-Check方式，Double-Check方式可以说是盛名已久了，线程A与线程B在Null Check时同时通过，但是在Lock时，只能进入一个线程，其他线程都要等着。

这种方式在Java中编写单例模式的时候是失效的，具体原因我没有去深究。这一块内存屏障技术（Memory Barrier），不过这段涉及到底层操作，一般很难有人会显式操作，而且这段的控制异常复杂。另外一点就是，如果单例过程中操作的是一个数组或者其他对象，那么在实例化后如果需要进行赋值等运算操作的，那么其他线程在进行Null Check的时候就不会再次进入，如果其他线程调用了这个单例对象的某个属性，这极有可能出现难以预测的bug。

单例模式加载数据到内存，那么如果我们需要在使用的时候再去加载到内存，而不是一开始就加载到内存，这样可以节省内存空间。接下来我们看一下如何通过懒加载方式实现单例模式。

静态类

采用静态类实现单例模式，这并不是一种完全的懒加载，但依然是线程安全的

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

    static Singleton()
    {

    }

    private Singleton()
    {

    }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            return instance;
        }
    }
}

C＃中的静态构造函数仅在创建类的实例或引用静态成员时执行，并且每个AppDomain只执行一次，因为每次都需要对新构造的类型执行这种检查，所以这种方式要比Double-Check方式更快。然而，也有一些问题：

• 它不像其他实现那样懒惰。尤其是，如果您有实例以外的静态成员，那么对这些成员的第一个引用将涉及创建实例。这将在下一个实现中得到纠正。
• 如果一个静态构造函数调用另一个静态构造函数，而另一个静态构造函数再次调用第一个静态构造函数，则会出现复杂情况。需要注意，静态构造函数在一个循环中相互引用的后果。
• 只有当类型没有被[beforefieldinit]标记时，.NET才能保证类型初始值设定项的惰性。不幸的是，C编译器（至少在.NET 1.1运行时中提供）将没有静态构造函数的所有类型（即看起来像构造函数但被标记为静态的块）标记为beforefieldinit。需要注意beforefieldinit会影响性能，beforefieldinit的具体用法可以参见MSDN。

对于这个实现，许多人更喜欢拥有一个属性，以防将来需要进一步的操作，并且JIT内联可能使性能相同。另外有一种快捷方式就是，可以将实例设置为公共的静态只读变量，不设置为属性，这样代码的基本框架会显得非常小。（注意，如果需要惰性，静态构造函数本身仍然是必需的。）

内部类

采用内部类，这是一种完全的懒加载。

public sealed class Singleton
{
    private Singleton()
    {

    }

    public static Singleton Instance { get { return Nested.instance; } }

    private class Nested
    {
        static Nested()
        {

        }

        internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
    }
}

在这里，嵌套类的静态成员在第一次引用的时候会进行实例化操作，并且该引用只在实例中发生。这意味着实现是完全懒惰的，但具有前一个实现的所有性能优势。请注意，尽管嵌套类可以访问内部类的私有成员，但反过来却不是，因此需要在此处对实例进行内部访问。不过，这并不会引发任何问题，因为类本身是私有的。不过此处貌似显得有点复杂。

Lazy

那么有没有其他方式优雅而又安全的实现单例模式呢，答案是有的，那就是通过Lazy方式，Lazy方式可以拥有更高的性能，因为实例只有在使用的时候才会真正创建对象，这就在很大程度上减少了内存的占用，当然，比较如果是比较简单的单例创建，可以忽略这条不利影响。

Lazy自带Double-Check，是线程安全的，他就像一个盾牌，在创建过程中，不管是创建简单对象还是复杂对象，都不会允许其他线程使用尚未创建完成的对象，更多的Lazy使用，请参考MSDN。

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Lazy<Singleton> lazy = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());

    public static Singleton Instance { get { return lazy.Value; } }

    private Singleton()
    {

    }
}

优点：

全局范围内只有一个实例，避免了内存消耗，以及实例频繁的创建和销毁

避免了对资源的多重占用，比如独占式场景中

缺点：

一旦对象指向的外部环境发生了变化，比如在网络调用、MQ等场景中一般可以可以采用单例，但是这里需要提醒的是，如果DNS发生异常，在异常期间将会出现极难修复的情况，除非手动重启并指向新的域服务器

这一点有点违反单一职责原则，通常情况下，一个类应该只关注自身逻辑而不是创建对象

没有接口，无法继承

本文参考了https://csharpindepth.com/articles/Singleton，该文也是深入理解C#的作者所写，可以收藏此网站以便更快的获取相关信息。