C#设计模式之单例模式

介绍

单例模式（Singleton）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。

单例模式的结构图如下所示：

使用单例模式的原因

对一些类来说，只有一个实例是很重要的。如何才能保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？

基于程序员之间的约定或是利用全局变量吗？

虽然这样或许也可以实现，但是单例模式确是更好的做法。因为仅仅靠约定或是全局变量，如果重新new一个对象，还是可以创建新的实例。

经典的单例模式

现在我们先来看看经典的单例模式写法：

  public class Singleton
  {
      private static Singleton? _instance;
      private Singleton() { }
      public static Singleton GetInstance()
      {
          if(_instance == null)
            _instance = new Singleton();
         return _instance;
      }
  }

private static Singleton? _instance;

声明了一个静态的类变量，静态类变量在类的所有实例之间共享， 与类关联而不是与类的实例关联，它在整个应用程序域中只有一个实例。

 private Singleton() { }

私有的构造函数，这使得我们无法通过：

 Singleton Singleton = new Singleton();

这种写法来创建它的实例，这样写会报错，如下所示：

  public static Singleton GetInstance()
      {
          if(_instance == null)
            _instance = new Singleton();
         return _instance;
      }

该方法是获得本类实例的唯一全局访问点。

如果实例不存在，在类的内部可以通过new操作符来获取一个实例，否则返回已有的实例。

 internal class Program
 {
     static void Main(string[] args)
     {        
         Singleton singleton1 = Singleton.GetInstance();
         Singleton singleton2 = Singleton.GetInstance();
         if (singleton1 == singleton2)
             Console.WriteLine("两个对象是相同的实例");
     }
 }

比较两个对象看看它们是不是同一个实例，运行结果如下所示：

多线程下的单例模式

上述代码在多线程情况下会存在问题，如果有多个线程同时访问Singleton类调用GetInstance方法，会有可能造成创建多个实例。

查看以下代码：

internal class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {        
        // 创建并启动两个任务
        Task task1 = Task.Factory.StartNew(Method1);
        Task task2 = Task.Factory.StartNew(Method2);
        Task.WaitAll(task1, task2);        
        Console.WriteLine("所有任务完成");
        void Method1()
        {
            Console.WriteLine("Task 1 is running.");
            Task.Delay(1000).Wait();
            Singleton singleton1 = Singleton.GetInstance();
            Console.WriteLine(singleton1.GetHashCode());
        }

         void Method2()
        {         
            Console.WriteLine("Task 2 is running.");
            Task.Delay(1000).Wait();
            Singleton singleton2 = Singleton.GetInstance();
            Console.WriteLine(singleton2.GetHashCode());
        }
    }
}

运行结果如下所示：

两个对象的哈希码不同，在C#中，每个对象都有一个GetHashCode方法，该方法返回该对象的哈希码。默认情况下，GetHashCode方法是根据对象的内存地址生成的，因此两个不同的实例在内存中有不同的地址，它们的哈希码通常也是不同的。然而，这并不是说哈希码不同就一定表示两个对象是不同的。因为哈希码是一个有限的整数，存在哈希冲突的可能性。两个不同的对象可能具有相同的哈希码，这被称为哈希冲突。因此，不能仅仅通过比较哈希码就断定两个对象是相同的还是不同的。

但是我们在这里我们可以这样进行简单的判断。

那么该如何解决这个问题呢？

使用lock

C#中可以使用lock来解决。 lock 语句可确保在任何时候最多只有一个线程执行其主体。

可以这样进行改写：

 public class Singleton
 {
     private static Singleton? _instance;
     private static readonly object _syncRoot = new object();
     private Singleton() { }
     public static Singleton GetInstance()
     {
         lock (_syncRoot)
         {
             if (_instance == null)
                 _instance = new Singleton();
         }
        return _instance;
     }
 }

 private static readonly object _syncRoot = new object();

程序运行时创建一个静态只读的辅助对象。

  public static Singleton GetInstance()
     {
         lock (_syncRoot)
         {
             if (_instance == null)
                 _instance = new Singleton();
         }
        return _instance;
     }

lock语句确保在任何时候最多只有一个线程执行其主体。

现在再来看看运行结果：

双重锁定

现在两个对象的哈希码一样了，在这里我们可以简单的认为是同一个实例了。

但是每次都要执行lock语句会影响性能，还需要改进：

  public class Singleton
  {
      private static Singleton? _instance;
      private static readonly object _syncRoot = new object();
      private Singleton() { }
      public static Singleton GetInstance()
      {
          if (_instance == null)
          {
              lock (_syncRoot) 
              { 
                  if(_instance == null) 
                  {
                      _instance = new Singleton();
                  }
              }
          }               
         return _instance;
      }
  }

这样子当存在_instance时，直接返回，没有执行lock语句。为什么执行两次if(_instance == null)判断是因为当_instance == null时，如果同时有两个线程调用GetInstance方法，它们都可以通过第一次判断，由于lock的机制，这两个线程只有一个进去，另一个在外排队等候，必须等上一个进入并且退出之后，第二个线程才能进入，而此时如果没有第二层的判断，那么第一个线程与第二个线程都会创建新的实例，而添加了这个判断之后，第一个线程创建了实例，_instanc就不为空，第二个线程就无法创建新的实例了。

现在再来看看运行结果：

静态初始化

其实在实际应用中，C#也可以采用静态初始化的方法，这种方法不需要开发人员显式地编写线程安全代码，即可解决多线程环境下不安全的问题。

 public sealed class Singleton
 {
     private static readonly Singleton _instance = new Singleton();     
     private Singleton() { }
     public static Singleton GetInstance()
     {        
       return _instance;
     }
 }

使用sealed关键字表示是密封类，阻止发生派生，因为派生可能会增加实例。

 private static readonly Singleton _instance = new Singleton();     

在第一次引用类的任何成员时创建实例，公共语言运行时负责处理变量初始化。

现在再来看看运行结果：

由于这种静态初始化的方式是在自己被加载时就将自己实例化，所以被形象地称之为饿汉单例类，原先的单例模式的处理方式是要在第一次被引用时，才会将自己实例化，所以就被称为懒汉单例类。

总结

本文介绍了在C#中如何使用单例模式，并介绍了在多线程模式下单例模式可能存在的问题及其解决方法，希望对你有所帮助。

参考

1、《Head First 设计模式（中文版）》

2、《大话设计模式》

3、《设计模式：可复用面向对象软件的基础》