单件模式(Singleton Pattern)

一、 单例（Singleton）模式

单例模式的特点：

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其它对象提供这一实例。

单例模式应用：

• 每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，避免两个打印作业同时输出到打印机。
• 一个具有自动编号主键的表可以有多个用户同时使用，但数据库中只能有一个地方分配下一个主键编号。否则会出现主键重复。

二、 Singleton模式的结构：

Singleton模式包含的角色只有一个，就是Singleton。Singleton拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new直接实例 它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量instance与静态公有方法Instance()。Instance方法负责检验并实例化自己，然后 存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。（关于线程问题以及C#所特有的Singleton将在后面详细论述）。

三、 程序举例：

该程序演示了Singleton的结构，本身不具有任何实际价值。

 

 1  //  Singleton pattern -- Structural example  
 2  using  System;
 3 
 4  //  "Singleton"
 5  class  Singleton
 6  {
 7     //  Fields
 8     private   static  Singleton instance;
 9 
10     //  Constructor
11     protected  Singleton() {}
12 
13     //  Methods
14     public   static  Singleton Instance()
15    {
16       //  Uses "Lazy initialization"
17       if ( instance  ==   null  )
18        instance  =   new  Singleton();
19 
20       return  instance;
21    }
22  }
23 
24  /**/ ///   <summary>
25  ///  Client test
26  ///   </summary>
27  public   class  Client
28  {
29     public   static   void  Main()
30    {
31       //  Constructor is protected -- cannot use new
32      Singleton s1  =  Singleton.Instance();
33      Singleton s2  =  Singleton.Instance();
34 
35       if ( s1  ==  s2 )
36        Console.WriteLine(  " The same instance "  );
37    }
38  }

四、 在什么情形下使用单例模式：

使用Singleton模式有一个必要条件：在一个系统要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来，如果一个类可以有几个实例共存，就不要使用单例模式。

注意：

不要使用单例模式存取全局变量。这违背了单例模式的用意，最好放到对应类的静态成员中。

不要将数据库连接做成单例，因为一个系统可能会与数据库有多个连接，并且在有连接池的情况下，应当尽可能及时释放连接。Singleton模式由于使用静态成员存储类实例，所以可能会造成资源无法及时释放，带来问题。

五、 Singleton模式在实际系统中的实现

下面这段Singleton代码演示了负载均衡对象。在负载均衡模型中，有多台服务器可提供服务，任务分配器随机挑选一台服务器提供服务，以确保任务均衡（实际情况比这个复杂的多）。这里，任务分配实例只能有一个，负责挑选服务器并分配任务。

代码

 1  //  Singleton pattern -- Real World example  
 2 
 3  using  System;
 4  using  System.Collections;
 5  using  System.Threading;
 6 
 7  //  "Singleton"
 8  class  LoadBalancer
 9  {
10     //  Fields
11     private   static  LoadBalancer balancer;
12     private  ArrayList servers  =   new  ArrayList();
13     private  Random random  =   new  Random();
14 
15     //  Constructors (protected)
16     protected  LoadBalancer()
17    {
18       //  List of available servers
19      servers.Add(  " ServerI "  );
20      servers.Add(  " ServerII "  );
21      servers.Add(  " ServerIII "  );
22      servers.Add(  " ServerIV "  );
23      servers.Add(  " ServerV "  );
24    }
25 
26     //  Methods
27     public   static  LoadBalancer GetLoadBalancer()
28    {
29       //  Support multithreaded applications through
30       //  "Double checked locking" pattern which avoids
31       //  locking every time the method is invoked
32       if ( balancer  ==   null  )
33      {
34         //  Only one thread can obtain a mutex
35        Mutex mutex  =   new  Mutex();
36        mutex.WaitOne();
37 
38         if ( balancer  ==   null  )
39          balancer  =   new  LoadBalancer();
40 
41        mutex.Close();
42      }
43       return  balancer;
44    }
45 
46     //  Properties
47     public   string  Server
48    {
49       get
50      {
51         //  Simple, but effective random load balancer
52         int  r  =  random.Next( servers.Count );
53         return  servers[ r ].ToString();
54      }
55    }
56  }
57 
58  /**/ ///   <summary>
59  ///  SingletonApp test
60  ///   </summary>
61  ///
62  public   class  SingletonApp
63  {
64     public   static   void  Main(  string [] args )
65    {
66      LoadBalancer b1  =  LoadBalancer.GetLoadBalancer();
67      LoadBalancer b2  =  LoadBalancer.GetLoadBalancer();
68      LoadBalancer b3  =  LoadBalancer.GetLoadBalancer();
69      LoadBalancer b4  =  LoadBalancer.GetLoadBalancer();
70 
71       //  Same instance?
72       if ( (b1  ==  b2)  &&  (b2  ==  b3)  &&  (b3  ==  b4) )
73        Console.WriteLine(  " Same instance "  );
74 
75       //  Do the load balancing
76      Console.WriteLine( b1.Server );
77      Console.WriteLine( b2.Server );
78      Console.WriteLine( b3.Server );
79      Console.WriteLine( b4.Server );
80    }
81  }

六、 C#中的Singleton模式

C#的独特语言特性决定了C#拥有实现Singleton模式的独特方法。这里不再赘述原因，给出几个结果：

方法一：

下面是利用.NET Framework平台优势实现Singleton模式的代码：

1  sealed   class  Singleton
2  {
3      private  Singleton();
4      public   static   readonly  Singleton Instance = new  Singleton();
5  }

这使得代码减少了许多，同时也解决了线程问题带来的性能上损失。那么它又是怎样工作的呢？

注意到，Singleton类被声明为sealed，以此保证它自己不会被继承，其次没有了Instance的方法，将原来_instance成员 变量变成public readonly，并在声明时被初始化。通过这些改变，我们确实得到了Singleton的模式，原因是在JIT的处理过程中，如果类中的static属 性被任何方法使用时，.NET Framework将对这个属性进行初始化，于是在初始化Instance属性的同时Singleton类实例得以创建和装载。而私有的构造函数和 readonly(只读)保证了Singleton不会被再次实例化，这正是Singleton设计模式的意图。

不过这也带来了一些问题，比如无法继承，实例在程序一运行就被初始化，无法实现延迟初始化等。

详细情况可以参考微软MSDN文章：《Exploring the Singleton Design Pattern》

方法二：

既然方法一存在问题，我们还有其它办法。

代码

 1  public   sealed   class  Singleton
 2  {
 3    Singleton()
 4    {
 5    }
 6 
 7     public   static  Singleton GetInstance()
 8    {
 9       return  Nested.instance;
10    }
11      
12     class  Nested
13    {
14       //  Explicit static constructor to tell C# compiler
15       //  not to mark type as beforefieldinit
16       static  Nested()
17      {
18      }
19 
20       internal   static   readonly  Singleton instance  =   new  Singleton();
21    }
22  }

这实现了延迟初始化，并具有很多优势，当然也存在一些缺点。详细内容请访问：《Implementing the Singleton Pattern in C#》。文章包含五种Singleton实现，就模式、线程、效率、延迟初始化等很多方面进行了详细论述。