【设计模式】之 Singleton 模式

引子

假设现在要做一个“家庭管理系统”, 有个类名字叫做 “Wife”。
需要实例化“MyWife”，我就new一个出来；
    Wife MyWife = new Wife(); //嘻嘻，属性挺多，方法么？洗衣做饭等等都有，但好像工作状态很不稳定
    MyWife.Wash();
程序另外一处也需要"MyWife", 好办啊
    Wife MyWife = new Wife();
    MyWife.Cook();
嗯？这个老婆和上面的是不是一个呢？好像不能保证。现在咱们国家婚姻法规定了一夫一妻制度。所以老婆嘛，是只有一个的(多的那不叫老婆)。
所以，问题是，如何保证程序里，一个类(Wife)只有一个实例(MyWife), 并提供一个该实例的全局访问点？

模型图

单线程Singleton模式

使用statics约束构造函数，在公有属性中实现类的实例化。

Singleton pattern “structural example"
class Singleton
{
    private static Singleton _instance;
    private Singleton(){}

    public static Singleton Instance
    {
            get
            {
                if(_instance == null) // 是为了 "lazy Initialization" , 程序启动时，不用的类就不会被new实例出来
                {
                    _instance = new Singleton();
                }
                return _instance;
            }
        }
    }
}

使用：
Singleton t1 = Singleton.Instance;
Singleton t2 = Singleton.Instance;
Console.WriteLine( Object.Equals( t1, t2 ) );
输出结果： true
说明只有一个实例。

 

上面的并不是线程安全的，两个线程同时访问到if(_instance==null)，就可能最后出来两个实例。

简单Singleton在多线程下的失败
将Singleton的Instance改为：模仿构造函数比较耗时，
if (instance == null)
{
    Thread.Sleep(1000);                    
    //多个线程start后，若前面的new MultiThreadSingleton() 还没有返回给instance，别的线程也会进if这个block，最后会构造出来多个实例
    instance = new MultiThreadSingleton();
}

主程序：
class Program
{
    static internal Thread[] trList = new Thread[10];

    static  void Run()
    {
        MultiThreadSingleton mt = MultiThreadSingleton.Instance;
    }

    static void Main( string[] args )
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            trList[i] = new Thread(new ThreadStart(Run));
            trList[i].Start();
        }

        Console.Read();     
    }
}

 

多线程Singleton模式

代码

class  SingletonMuli
{
    private   static   volatile  SingletonMuli _instance;
　  private   static   object  lockHelper  =   new   object ();  
    private  SingletonMuli(){}

    public   static  SingletonMuli Instance
   {
             get
            {                
                     lock (lockHelper)
                    {
                         if (_instance  ==   null )       
                        {
                             _instance  =   new  SingletonMuli();
                        }
                    }
             }
              return  _instance;
    }
}

 

volatile是什么意思？见volatile关键字
上面的实现，线程每个Instance 属性方法的调用中都出现独占锁定。

 

多线程Singleton模式优化：
使用DCL(Double-Check Locking)

使用DCL优化多线程Singleton模式
public sealed class Singleton
{
   static Singleton instance = null;
   static readonly object padlock = new object();
   Singleton()    {    }
            
   public static Singleton Instance
   {
       get
       {
            if (instance==null)
            {
               lock (padlock)
               {
                    if (instance==null)
                    {
                        instance = new Singleton();
                    }
               }
            }
            return instance;
        }
    }
}

这样，线程不是每次都加锁，只有判断对象实例没有被创建时它才加锁。

.NET平台支持的Singleton模式

.NET平台下Singleton
class Singleton
{
   public static readonly Singleton _instance = new Singleton();   //内联初始化
   private Singleton(){}
}

内联初始化 的代码相当于：
public static readonly Singleton _instance;
static Singleton()
{
   _instance = new Singleton();
}
访问静态字段的时候，静态构造函数必先被执行。即，初始化放在静态构造器；前面的单线程、多线程，放在属性中初始化。
(beforefileInit,在编译好的singleton类的metadata中可看到)，实现了Lazy-initialization
同时.readonly保证只有一个实例；对NET静态构造器，编译器保证了多线程下自动加锁。
所以，NET平台下的多线程Singleton模式：
uses a private constructor and a static readonly instance variable that is lazily initialized. Thread safety is guaranteed by the compiler. (dofactory)

参数化的Singleton模式
上面的方法的缺陷是 静态构造器必须是私有的、无参的；参数化的Singleton如何实现？
1. 单线程、多线程－－－属性改为方法 Singleton s1 = Singleton.GetInstance(100,200);
2. 静态初始化     －－－增加属性，或增加Init()方法初始化资源。Singleton s1 = Singleton.Instance(); s1.Init();

Singleton模式实例 负载均衡模型

多服务器环境，为确保任务均衡，任务分配器随机(选择最简单的策略)挑选一台服务器提供服务。
只能有一个任务分配器实例(Singleton模式!)并且任务分配器知道每个服务器的状态。
Only a single instance (the singleton) of the class can be created because servers may dynamically come on- or off-line and every request must go throught the one object that has knowledge about the state of the (web) farm.

载均衡模型
// 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();

  // Lock synchronization object 
  private static object syncLock = new object();

  // 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 )
    {
      lock(syncLock)
      {
         if( balancer == null )
           balancer = new LoadBalancer();
      }
    }
    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" );

    // All are the same instance -- use b1 arbitrarily 
    // Load balance 15 server requests 
    for (int i = 0; i < 15; i++)
    {
      Console.WriteLine(b1.Server);
    }

    // Wait for user 
    Console.Read();   
  }
}

可以看出虽然初始化没有参数，但是程序中仍然选择用GetInstance方法替代属性。
我个人认为这样可以做到概念清晰，值得提倡。

用.NET优化上面的实例
// Singleton pattern -- .NET optimized  

using System;
using System.Collections;

namespace DoFactory.GangOfFour.Singleton.NETOptimized
{
  
  // MainApp test application 

  class MainApp
  {
    
    static void Main()
    {
      LoadBalancer b1 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
      LoadBalancer b2 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
      LoadBalancer b3 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
      LoadBalancer b4 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();

      // Confirm these are the same instance 
      if (b1 == b2 && b2 == b3 && b3 == b4)
      {
        Console.WriteLine("Same instance\n");
      }

      // All are the same instance -- use b1 arbitrarily 
      // Load balance 15 requests for a server 
      for (int i = 0; i < 15; i++)
      {
        Console.WriteLine(b1.Server);
      }

      // Wait for user 
      Console.Read();    
    }
  }
  
  // Singleton 

  sealed class LoadBalancer
  { 
    // Static members are lazily initialized. 
    // .NET guarantees thread safety for static initialization 
    private static readonly LoadBalancer instance = 
      new LoadBalancer(); 

    private ArrayList servers = new ArrayList();
    private Random random = new Random();

    // Note: constructor is private.
    private LoadBalancer() 
    {
      // List of available servers 
      servers.Add("ServerI");
      servers.Add("ServerII");
      servers.Add("ServerIII");
      servers.Add("ServerIV");
      servers.Add("ServerV");
    } 

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

 

另：关于.NET下Singleton模式，
吕震宇在文章http://zhenyulu.cnblogs.com/articles/37246.html里谈到：
“利用.NET Framework平台优势实现Singleton模式，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》 ”
好像和dofactory那句话不一致，现在看来，应该是dofactory说的有问题，应该是无法实现延迟初始化。

能够实现延迟初始化的方法：

延迟初始化
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();
  }
}