单例模式（Singleton）的6种实现
1.1.1 摘要
在我们日常的工作中经常需要在应用程序中保持一个唯一的实例，如：IO处理，数据库操作等，由于这些对象都要占用重要的系统资源，所以我们必须限制这些实例的创建或始终使用一个公用的实例，这就是我们今天要介绍的——单例模式（Singleton）。
使用频率
高
单件模式（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。
1.1.2 正文
图1单例模式（Singleton）结构图
单例模式（Singleton）是几个创建模式中最对立的一个，它的主要特点不是根据用户程序调用生成一个新的实例，而是控制某个类型的实例唯一性，通过上图我们知道它包含的角色只有一个，就是Singleton，它拥有一个私有构造函数，这确保用户无法通过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。
图2单例模式（Singleton）逻辑模型
接下来我们将介绍6中不同的单例模式（Singleton）的实现方式。这些实现方式都有以下的共同点：
- 有一个私有的无参构造函数，这可以防止其他类实例化它，而且单例类也不应该被继承，如果单例类允许继承那么每个子类都可以创建实例，这就违背了Singleton模式“唯一实例”的初衷。
- 单例类被定义为sealed,就像前面提到的该类不应该被继承，所以为了保险起见可以把该类定义成不允许派生，但没有要求一定要这样定义。
- 一个静态的变量用来保存单实例的引用。
- 一个公有的静态方法用来获取单实例的引用，如果实例为null即创建一个。
版本一线程不安全
/// <summary> /// A simple singleton class implements. /// </summary> public sealed class Singleton { private static Singleton _instance = null; /// <summary> /// Prevents a default instance of the /// <see cref="Singleton"/> class from being created. /// </summary> private Singleton() { } /// <summary> /// Gets the instance. /// </summary> public static Singleton Instance { get { return _instance ?? (_instance = new Singleton()); } } }
以上的实现方式适用于单线程环境，因为在多线程的环境下有可能得到Singleton类的多个实例。假如同时有两个线程去判断
（null == _singleton），并且得到的结果为真，那么两个线程都会创建类Singleton的实例，这样就违背了Singleton模式“唯一实例”的初衷。
版本二线程安全
/// <summary> /// A thread-safe singleton class. /// </summary> public sealed class Singleton { private static Singleton _instance = null; private static readonly object SynObject = new object(); Singleton() { } /// <summary> /// Gets the instance. /// </summary> public static Singleton Instance { get { // Syn operation. lock (SynObject) { return _instance ?? (_instance = new Singleton()); } } } }
以上方式的实现方式是线程安全的，首先我们创建了一个静态只读的进程辅助对象，由于lock是确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不能进入临界区（同步操作）。如果其他线程试图进入锁定的代码，则它将一直等待，直到该对象被释放。从而确保在多线程下不会创建多个对象实例了。只是这种实现方式要进行同步操作，这将是影响系统性能的瓶颈和增加了额外的开销。
Double-Checked Locking
前面讲到的线程安全的实现方式的问题是要进行同步操作，那么我们是否可以降低通过操作的次数呢？其实我们只需在同步操作之前，添加判断该实例是否为null就可以降低通过操作的次数了，这样是经典的Double-Checked Locking方法。
/// <summary> /// Double-Checked Locking implements a thread-safe singleton class /// </summary> public sealed class Singleton { private static Singleton _instance = null; // Creates an syn object. private static readonly object SynObject = new object(); Singleton() { } public static Singleton Instance { get { // Double-Checked Locking if (null == _instance) { lock (SynObject) { if (null == _instance) { _instance = new Singleton(); } } } return _instance; } } }
在介绍第四种实现方式之前，首先让我们认识什么是，当字段被标记为beforefieldinit类型时，该字段初始化可以发生在任何时候任何字段被引用之前。这句话听起了有点别扭，接下来让我们通过具体的例子介绍。
/// <summary> /// Defines a test class. /// </summary> class Test { public static string x = EchoAndReturn("In type initializer"); public static string EchoAndReturn(string s) { Console.WriteLine(s); return s; } }
上面我们定义了一个包含静态字段和方法的类Test，但要注意我们并没有定义静态的构造函数。
图3 Test类的IL代码
class Test { public static string x = EchoAndReturn("In type initializer"); // Defines a parameterless constructor. static Test() { } public static string EchoAndReturn(string s) { Console.WriteLine(s); return s; } }
上面我们给Test类添加一个静态的构造函数。
图4 Test类的IL代码
通过上面Test类的IL代码的区别我们发现，当Test类包含静态字段，而且没有定义静态的构造函数时，该类会被标记为beforefieldinit。
现在也许有人会问：“被标记为beforefieldinit和没有标记的有什么区别呢”？OK现在让我们通过下面的具体例子看一下它们的区别吧！
class Test { public static string x = EchoAndReturn("In type initializer"); static Test() { } public static string EchoAndReturn(string s) { Console.WriteLine(s); return s; } } class Driver { public static void Main() { Console.WriteLine("Starting Main"); // Invoke a static method on Test Test.EchoAndReturn("Echo!"); Console.WriteLine("After echo"); Console.ReadLine(); // The output result: // Starting Main // In type initializer // Echo! // After echo } }
我相信大家都可以得到答案，如果在调用EchoAndReturn()方法之前，需要完成静态成员的初始化，所以最终的输出结果如下：
图5输出结果
接着我们在Main()方法中添加string y = Test.x，如下：
public static void Main() { Console.WriteLine("Starting Main"); // Invoke a static method on Test Test.EchoAndReturn("Echo!"); Console.WriteLine("After echo"); //Reference a static field in Test string y = Test.x; //Use the value just to avoid compiler cleverness if (y != null) { Console.WriteLine("After field access"); } Console.ReadKey(); // The output result: // In type initializer // Starting Main // Echo! // After echo // After field access }
图6 输出结果
通过上面的输出结果，大家可以发现静态字段的初始化跑到了静态方法调用之前，Wo难以想象啊！
最后我们在Test类中添加一个静态构造函数如下：
class Test { public static string x = EchoAndReturn("In type initializer"); static Test() { } public static string EchoAndReturn(string s) { Console.WriteLine(s); return s; } }
图7 输出结果
理论上，type initializer应该发生在”Echo!”之后和”After echo”之前，但这里却出现了不唯一的结果，只有当Test类包含静态构造函数时，才能确保type initializer的初始化发生在”Echo!”之后和”After echo”之前。
所以说要确保type initializer发生在被字段引用时，我们应该给该类添加静态构造函数。接下来让我们介绍单例模式的静态方式。
静态初始化
public sealed class Singleton { private static readonly Singleton _instance = new Singleton(); // Explicit static constructor to tell C# compiler // not to mark type as beforefieldinit static Singleton() { } /// <summary> /// Prevents a default instance of the /// <see cref="Singleton"/> class from being created. /// </summary> private Singleton() { } /// <summary> /// Gets the instance. /// </summary> public static Singleton Instance { get { return _instance; } } }
以上方式实现比之前介绍的方式都要简单，但它确实是多线程环境下，C#实现的Singleton的一种方式。由于这种静态初始化的方式是在自己的字段被引用时才会实例化。
让我们通过IL代码来分析静态初始化。
图8静态初始化IL代码
首先这里没有beforefieldinit的修饰符，由于我们添加了静态构造函数当静态字段被引用时才进行初始化，因此即便很多线程试图引用_instance，也需要等静态构造函数执行完并把静态成员_instance实例化之后可以使用。
延迟初始化
/// <summary> /// Delaies initialization. /// </summary> public sealed class Singleton { private Singleton() { } /// <summary> /// Gets the instance. /// </summary> public static Singleton Instance { get { return Nested._instance; } } private class Nested { // Explicit static constructor to tell C# compiler // not to mark type as beforefieldinit static Nested() { } internal static readonly Singleton _instance = new Singleton(); } }
这里我们把初始化工作放到Nested类中的一个静态成员来完成，这样就实现了延迟初始化。
Lazy<T> type
/// <summary> /// .NET 4's Lazy<T> type /// </summary> public sealed class Singleton { private static readonly Lazy<Singleton> lazy = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton()); public static Singleton Instance { get { return lazy.Value; } } private Singleton() { } }
这种方式的简单和性能良好，而且还提供检查是否已经创建实例的属性IsValueCreated。
具体例子
现在让我们使用单例模式（Singleton）实现负载平衡器，首先我们定义一个服务器类，它包含服务器名和IP地址如下：
/// <summary> /// Represents a server machine /// </summary> class Server { // Gets or sets server name public string Name { get; set; } // Gets or sets server IP address public string IP { get; set; } }
由于负载平衡器只提供一个对象实例供服务器使用，所以我们使用单例模式（Singleton）实现该负载平衡器。
/// <summary> /// The 'Singleton' class /// </summary> sealed class LoadBalancer { private static readonly LoadBalancer _instance = new LoadBalancer(); // Type-safe generic list of servers private List<Server> _servers; private Random _random = new Random(); static LoadBalancer() { } // Note: constructor is 'private' private LoadBalancer() { // Load list of available servers _servers = new List<Server> { new Server{ Name = "ServerI", IP = "192.168.0.108" }, new Server{ Name = "ServerII", IP = "192.168.0.109" }, new Server{ Name = "ServerIII", IP = "192.168.0.110" }, new Server{ Name = "ServerIV", IP = "192.168.0.111" }, new Server{ Name = "ServerV", IP = "192.168.0.112" }, }; } /// <summary> /// Gets the instance through static initialization. /// </summary> public static LoadBalancer Instance { get { return _instance; } } // Simple, but effective load balancer public Server NextServer { get { int r = _random.Next(_servers.Count); return _servers[r]; } } }
上面负载平衡器类LoadBalancer我们使用静态初始化方式实现单例模式（Singleton）。
static void Main() { LoadBalancer b1 = LoadBalancer.Instance; b1.GetHashCode(); LoadBalancer b2 = LoadBalancer.Instance; LoadBalancer b3 = LoadBalancer.Instance; LoadBalancer b4 = LoadBalancer.Instance; // Confirm these are the same instance if (b1 == b2 && b2 == b3 && b3 == b4) { Console.WriteLine("Same instance\n"); } // Next, load balance 15 requests for a server LoadBalancer balancer = LoadBalancer.Instance; for (int i = 0; i < 15; i++) { string serverName = balancer.NextServer.Name; Console.WriteLine("Dispatch request to: " + serverName); } Console.ReadKey(); }
图9 LoadBalancer输出结果
1.1.3 总结
单例模式的优点：
单例模式（Singleton）会控制其实例对象的数量，从而确保访问对象的唯一性。
- 实例控制：单例模式防止其它对象对自己的实例化，确保所有的对象都访问一个实例。
- 伸缩性：因为由类自己来控制实例化进程，类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。
单例模式的缺点：
- 系统开销。虽然这个系统开销看起来很小，但是每次引用这个类实例的时候都要进行实例是否存在的检查。这个问题可以通过静态实例来解决。
- 开发混淆。当使用一个单例模式的对象的时候（特别是定义在类库中的），开发人员必须要记住不能使用new关键字来实例化对象。因为开发者看不到在类库中的源代码，所以当他们发现不能实例化一个类的时候会很惊讶。
- 对象生命周期。单例模式没有提出对象的销毁。在提供内存管理的开发语言（比如，基于.NetFramework的语言）中，只有单例模式对象自己才能将对象实例销毁，因为只有它拥有对实例的引用。在各种开发语言中，比如C++，其它类可以销毁对象实例，但是这么做将导致单例类内部的指针指向不明。
单例适用性
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。反之，如果一个类可以有几个实例共存，就不要使用单例模式。
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。
参考：
http://csharpindepth.com/Articles/General/Singleton.aspx
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关于作者:[作者]： JK_Rush从事.NET开发和热衷于开源高性能系统设计，通过博文交流和分享经验，欢迎转载，请保留原文地址，谢谢。 |