2 单例/单件模式(Singleton Pattern)

2 单例/单件模式(Singleton Pattern)

—学习李建忠《设计模式》系列视频（C#）

2.1 模式分类

从目的来看

• 创建型（Creational）模式：负责对象创建。
• 结构型（Structural）模式：处理类与对象间的组合。
• 行为型（Behavioral）模式：类与对象交互中的职责分配。

从范围来看：

• 类模式处理类与子类的静态关系。
• 对象模式处理对象间的动态关系。

2.2 动机（Motivation)

在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率。
如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只创建一个实例？
这应该是类设计者的责任，而不是类使用者的责任。
结构图：

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。——《设计模式》GOF

适用性：
（1）当类只能有一个实例而且客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。
（2）当这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的，并且客户应该无需更改代码就能使用一个扩展的实例时。

2.3 单线程Singleton实现

class SingleThread_Singleton
    {
        private static SingleThread_Singleton instance = null;
        private  SingleThread_Singleton(){}
        public static SingleThread_Singleton Instance//属性？
        {
            get
            {
                if (instance == null)
                {
                    instance = new SingleThread_Singleton();
                }
                return instance;
            }
        }
    }

单线程Singleton模式的几个要点

• Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。
• Singleton模式一般不要支持ICloneable接口，因为这可能会导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背。
• Singleton模式一般不要支持序列化，因为这也有可能导致多个对象实例，同样与Singleton模式的初衷违背。
• Singletom模式只考虑到了对象创建的管理，没有考虑对象销毁的管理。就支持垃圾回收的平台和对象的开销来讲，我们一般没有必要对其销毁进行特殊的管理。
• 不能应对多线程环境：在多线程环境下，使用Singleton模式仍然有可能得到Singleton类的多个实例对象。

以上代码在单线程情况下不会出现任何问题。但是在多线程的情况下却不是安全的。
如两个线程同时运行到 if (instance == null)判断是否被实例化，一个线程判断为True后，在进行创建
instance = new SingleThread_Singleton();之前，另一个线程也判断(instance == null)，结果也为True.
这样就就违背了Singleton模式的原则（保证一个类仅有一个实例）。
怎样在多线程情况下实现Singleton？

2.4 多线程Singleton实现

 1    class MultiThread_Singleton
 2     {
 3       private  static volatile MultiThread_Singleton instance = null;
 4       private static object lockHelper = new object();
 5       private MultiThread_Singleton() { }
 6       public static MultiThread_Singleton Instance
 7       {
 8           get
 9           {
10               if (instance == null)
11               {
12                   lock (lockHelper)
13                   {
14                       if (instance == null)
15                       {
16                           instance = new MultiThread_Singleton();
17                       }
18                   }
19               }
20               return instance;
21           }         
22       }
23     

此程序对多线程是安全的，使用了一个辅助对象lockHelper，保证只有一个线程创建实例（如果instance为空，保证只有一个线程instance = new MultiThread_Singleton();创建唯一的一个实例）。（Double Check)
请注意一个关键字volatile，如果去掉这个关键字，还是有可能发生线程不是安全的。
volatile 保证严格意义的多线程编译器在代码编译时对指令不进行微调。

2.5 静态Singleton实现(适用单/多线程)

3     class Static_Singleton
4       {
5           public static readonly Static_Singleton instance = new Static_Singleton();
6           private Static_Singleton() { }
7       }


以上代码展开等同于
1     class Static_Singleton
2         {
3             public static readonly Static_Singleton instance;
4             static Static_Singleton() //静态构造器
5             {
6                 instance = new Static_Singleton();
7             }
8             private Static_Singleton() { }
9         }

由此可以看出，完全符合Singleton的原则。
优点： 简洁，易懂（免费加锁）
缺点： 不可以实现带参数实例的创建

2.5 Singleton模式扩展

• 将一个实例扩展到n个实例，例如对象池的实现。
• 将new 构造器的调用转移到其他类中，例如多个类协同工作环境中，某个局部环境只需要拥有某个类的一个实例。
• 理解和扩展Singleton模式的核心是“如何控制用户使用new对一个类的实例构造器的任意调用”。

2.6 推荐参考书

• 《设计模式：可复用面向对象软件的基础》GoF
• 《面向对象分析与设计》Grady Booch 翻译一般
• 《敏捷软件开发：原则、模式与实践》Robert C. Martin
• 《重构：改善既有代码的设计》Martin Fowler
• 《Refactoringto Patterns 》JoshuaKerievsky 未翻译

Q&A
1、使用静态计数器，在单线程中一样可以实现实例一个对象的目的？
2、如何区分各种设计模式？
根据封装变化点设计模式！
3、设计模式实现的语音选择，C#、C++、Java一样~