设计模式（7）－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。

//  Singleton pattern -- Structural example  
using  System;

//  "Singleton"
class  Singleton
{
  // Fields
  private static Singleton instance;

  // Constructor
  protected Singleton() {}

  // Methods
  public static Singleton Instance()
  {
    // Uses "Lazy initialization"
    if( instance == null )
      instance = new Singleton();

    return instance;
  }
}

/**/ /// <summary>
/// Client test
/// </summary>
public   class  Client
{
  public static void Main()
  {
    // Constructor is protected -- cannot use new
    Singleton s1 = Singleton.Instance();
    Singleton s2 = Singleton.Instance();

    if( s1 == s2 )
      Console.WriteLine( "The same instance" );
  }
}

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。

//  Singleton pattern -- Real World example  

using  System;
using  System.Collections;
using  System.Threading;

//  "Singleton"
class  LoadBalancer
{
  // Fields
  private static LoadBalancer balancer;
  private ArrayList servers = new ArrayList();
  private Random random = new Random();

  // Constructors (protected)
  protected LoadBalancer()
  {
    // List of available servers
    servers.Add( "ServerI" );
    servers.Add( "ServerII" );
    servers.Add( "ServerIII" );
    servers.Add( "ServerIV" );
    servers.Add( "ServerV" );
  }

  // Methods
  public static LoadBalancer GetLoadBalancer()
  {
    // Support multithreaded applications through
    // "Double checked locking" pattern which avoids
    // locking every time the method is invoked
    if( balancer == null )
    {
      // Only one thread can obtain a mutex
      Mutex mutex = new Mutex();
      mutex.WaitOne();

      if( balancer == null )
        balancer = new LoadBalancer();

      mutex.Close();
    }
    return balancer;
  }

  // Properties
  public string Server
  {
    get
    {
      // Simple, but effective random load balancer
      int r = random.Next( servers.Count );
      return servers[ r ].ToString();
    }
  }
}

/**/ /// <summary>
/// SingletonApp test
/// </summary>
///
public   class  SingletonApp
{
  public static void Main( string[] args )
  {
    LoadBalancer b1 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
    LoadBalancer b2 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
    LoadBalancer b3 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
    LoadBalancer b4 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();

    // Same instance?
    if( (b1 == b2) && (b2 == b3) && (b3 == b4) )
      Console.WriteLine( "Same instance" );

    // Do the load balancing
    Console.WriteLine( b1.Server );
    Console.WriteLine( b2.Server );
    Console.WriteLine( b3.Server );
    Console.WriteLine( b4.Server );
  }
}

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：

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

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。
（摘自：http://www.cnblogs.com/huqingyu/archive/2004/07/09/22721.aspx ）

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。

public   sealed   class  Singleton
{
  Singleton()
  {
  }

  public static Singleton GetInstance()
  {
    return Nested.instance;
  }
    
  class Nested
  {
    // Explicit static constructor to tell C# compiler
    // not to mark type as beforefieldinit
    static Nested()
    {
    }

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

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。

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参考文献：
阎宏，《Java与模式》，电子工业出版社
[美]James W. Cooper，《C#设计模式》，电子工业出版社
[美]Alan Shalloway  James R. Trott，《Design Patterns Explained》，中国电力出版社
[美]Robert C. Martin，《敏捷软件开发－原则、模式与实践》，清华大学出版社
[美]Don Box, Chris Sells，《.NET本质论 第1卷：公共语言运行库》，中国电力出版社