c#设计模式之单例模式

c#设计模式之单例模式

场景描述

单例模式对于我们来说一点也不模式，是一个常见的名称，单例模式在程序中的实际效果就是：确保一个程序中只有一个实例，并提供一个全局访问点，节省系统资源

单例模式无论是在实际开发中还是在软件应用中比较常见，比如，windows系统的任务管理器、IIS的HttpApplication、实际项目中的日志组件等等

实现方式

 　　单例模式为了实现一个实例，那么只有不把实例创建暴露出去，只通过类本身来创建实例，为了实现效果，需要定义一个私有构造函数

　　单例模式实现方式有：饿汉式、懒汉式、双重验证式、静态内部类、延迟加载（Lazy）

　　下面分别对每一种实现方式做一个简单的实例，以及其优缺点

　　饿汉式

   /// <summary>
    /// 创建一个 Singleton 类（饿汉式）
    /// 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。
    ///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。
    /// </summary>
    public class SingleObject
    {
        //创建 SingleObject 的一个对象
        private static SingleObject instance = new SingleObject();

        //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
        private SingleObject() {
            Console.WriteLine("我被创建了.饿汉式");
        }

        //获取唯一可用的对象
        public static SingleObject GetInstance()
        {
            return instance;
        }

        public void ShowMessage()
        {
            Console.WriteLine("Hello World.饿汉式");
        }
    }

　　懒汉式

 　　 

  /// <summary>
    /// 创建一个 Singleton 类（懒汉式）
    /// 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：懒汉式在单个线程中没有问题，但多个线程同事访问的时候就可能同事创建多个实例，而且这多个实例不是同一个对象。
    /// </summary>
    public class SingleObject1
    {
        //创建 SingleObject 的一个对象
        private static SingleObject1 instance;

        //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
        private SingleObject1() { }

        //获取唯一可用的对象
        public static SingleObject1 GetInstance()
        {
            if (instance == null)
            {
                instance = new SingleObject1();
                Console.WriteLine("我被创建了.懒汉式");
            }
            return instance;
        }

        public void ShowMessage()
        {
            Console.WriteLine("Hello World.懒汉式");
        }
    }

　　双重验证式

 

    /// <summary>
    /// 创建一个 Singleton 类（双重验证）
    /// 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，线程安全。
    /// 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
    /// </summary>
    public class SingleObject2
    {
        //创建 SingleObject 的一个对象
        private static SingleObject2 instance;

        // 定义一个标识确保线程同步
        private static readonly object locker = new object();


        //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
        private SingleObject2() { }

        //获取唯一可用的对象
        public static SingleObject2 GetInstance()
        {
            //// 如果为空，那么就加锁，创建实例
            if (instance == null)
            {
                lock (locker)
                {
                    //// 枷锁成功后，在做一次非空判断，避免在加锁期间以创建了实例而导致重复创建
                    if (instance == null)
                    {
                        instance = new SingleObject2();
                        Console.WriteLine("我被创建了.双重验证");
                    }
                }
            }
            return instance;
        }

        public void ShowMessage()
        {
            Console.WriteLine("Hello World.双重验证");
        }
    }

　　静态内部类

 　　

  /// <summary>
    /// 创建一个 Singleton 类(静态内部类) 
    /// 这种方式不用加锁，在效率上和内存使用上都比较优秀
    /// 克服了饿汉模式的不足饿汉模式执行效率高，由于在类加载的时候初始化导致内存浪费
    /// </summary>
    public class SingletonStatic
    {
        /// <summary>
        /// 内部类
        /// </summary>
        public class SingletonStaticInner
        {
            /// <summary>
            /// 当一个类有静态构造函数时，它的静态成员变量不会被beforefieldinit修饰
            /// 就会确保在被引用的时候才会实例化，而不是程序启动的时候实例化
            /// </summary>
            static SingletonStaticInner() { }

            /// <summary>
            /// 实例化
            /// </summary>
            internal static SingletonStatic singletonStatic = new SingletonStatic();
        }

        /// <summary>
        /// 私有构造函数
        /// </summary>
        private SingletonStatic() {
            Console.WriteLine("我被创建了.静态内部类");
        }

        /// <summary>
        /// 获取实例
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static SingletonStatic GetInstance()
        {
            return SingletonStaticInner.singletonStatic;
        }

        public void ShowMessage()
        {
            Console.WriteLine("Hello World.静态内部类");
        }
    }

　　延迟加载（Lazy）

 　　

    /// <summary>
    /// 创建一个 Singleton 类(Lazy) 
    /// 该方式是需要.netformwork4+
    /// </summary>
    public class SingletonLazy
    {
        private static Lazy<SingletonLazy> singletonLazy = new Lazy<SingletonLazy>(()=>new SingletonLazy());

        /// <summary>
        /// 私有构造函数
        /// </summary>
        private SingletonLazy()
        {
            Console.WriteLine("我被创建了.Lazy");
        }

        /// <summary>
        /// 获取实例
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static SingletonLazy GetInstance()
        {
            return singletonLazy.Value;
        }

        public void ShowMessage()
        {
            Console.WriteLine("Hello World.Lazy");
        }
    }

　　每一种创建方式测试

 　　创建一个控制台程序，通过多线程对每一种实现方式使用，查看其实例次数分析：

/*
 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：
典型的已有应用：
1、windows的任务管理器等
2、IIS的HttpApplication，所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例
在项目中的实际使用场景：
1、日志组件
2、多线程线程池管理
3、网站计数器
4、配置文件管理
     */
 
class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
            List<Task> taskList = new List<Task>();

            //// 测试--饿汉式 
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                taskList.Add(taskFactory.StartNew(() =>
                {
                    SingleObject.GetInstance();
                }));
            }

            //// 测试--懒汉式 
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                taskList.Add(taskFactory.StartNew(() =>
                {
                    SingleObject1.GetInstance();
                }));
            }

            //// 测试--双重验证 
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                taskList.Add(taskFactory.StartNew(() =>
                {
                    SingleObject2.GetInstance();
                }));
            }

            //// 测试--静态内部类 
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                taskList.Add(taskFactory.StartNew(() =>
                {
                    SingletonStatic.GetInstance();
                }));
            }

            //// 测试--Lazy 
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                taskList.Add(taskFactory.StartNew(() =>
                {
                    SingletonLazy.GetInstance();
                }));
            }

            Console.ReadLine();
        }
    }

运行结果：

　　

总结

 　根据单例模式是每一种实现方式对比分析，在实际使用过程中：建议采用延迟加载（Lazy）

　当然，还有其他类似的实现单例的方式，没有写到的，也欢迎大家一起交流，勿喷