——探索設計模式系列之二
Terrylee，2005年12月07日
概述
Sigleton模式要求一個(gè)類(lèi)有且僅有一個(gè)實(shí)例，并且提供了一個(gè)全局的訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。這就提出了一個(gè)問(wèn)題：如何繞過(guò)常規的構造器，提供一種機制來(lái)保證一個(gè)類(lèi)只有一個(gè)實(shí)例？客戶(hù)程序在調用某一個(gè)類(lèi)時(shí)，它是不會(huì )考慮這個(gè)類(lèi)是否只能有一個(gè)實(shí)例等問(wèn)題的，所以，這應該是類(lèi)設計者的責任，而不是類(lèi)使用者的責任。
從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，Sigleton模式其實(shí)也是一種職責型模式。因為我們創(chuàng )建了一個(gè)對象，這個(gè)對象扮演了獨一無(wú)二的角色，在這個(gè)單獨的對象實(shí)例中，它集中了它所屬類(lèi)的所有權力，同時(shí)它也肩負了行使這種權力的職責！
意圖
保證一個(gè)類(lèi)僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)它的全局訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。
模型圖
邏輯模型圖：
物理模型圖：
生活中的例子
美國總統的職位是Sigleton，美國憲法規定了總統的選舉，任期以及繼任的順序。這樣，在任何時(shí)刻只能由一個(gè)現任的總統。無(wú)論現任總統的身份為何，其頭銜"美利堅合眾國總統"是訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)職位的人的一個(gè)全局的訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。
五種實(shí)現
1．簡(jiǎn)單實(shí)現
這種方式的實(shí)現對于線(xiàn)程來(lái)說(shuō)并不是安全的，因為在多線(xiàn)程的環(huán)境下有可能得到Sigleton類(lèi)的多個(gè)實(shí)例。如果同時(shí)有兩個(gè)線(xiàn)程去判斷（instance == null），并且得到的結果為真，這時(shí)兩個(gè)線(xiàn)程都會(huì )創(chuàng )建類(lèi)Sigleton的實(shí)例，這樣就違背了Sigleton模式的原則。實(shí)際上在上述代碼中，有可能在計算出表達式的值之前，對象實(shí)例已經(jīng)被創(chuàng )建，但是內存模型并不能保證對象實(shí)例在第二個(gè)線(xiàn)程創(chuàng )建之前被發(fā)現。 1public sealed class Singleton
2
{
3 static Singleton instance=null;
4
5 Singleton()
6{
7 }
8
9 public static Singleton Instance
10{
11 get
12{
13 if (instance==null)
14{
15 instance = new Singleton();
16 }
17 return instance;
18 }
19 }
20}
該實(shí)現方式主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
l 由于實(shí)例是在 Instance 屬性方法內部創(chuàng )建的，因此類(lèi)可以使用附加功能（例如，對子類(lèi)進(jìn)行實(shí)例化），即使它可能引入不想要的依賴(lài)性。
l 直到對象要求產(chǎn)生一個(gè)實(shí)例才執行實(shí)例化；這種方法稱(chēng)為“惰性實(shí)例化”。惰性實(shí)例化避免了在應用程序啟動(dòng)時(shí)實(shí)例化不必要的 singleton。
2．安全的線(xiàn)程 1public sealed class Singleton
2{
3 static Singleton instance=null;
4 static readonly object padlock = new object();
5
6 Singleton()
7{
8 }
9
10 public static Singleton Instance
11{
12 get
13{
14 lock (padlock)
15{
16 if (instance==null)
17{
18 instance = new Singleton();
19 }
20 return instance;
21 }
22 }
23 }
24}
25
26
這種方式的實(shí)現對于線(xiàn)程來(lái)說(shuō)是安全的。我們首先創(chuàng )建了一個(gè)進(jìn)程輔助對象，線(xiàn)程在進(jìn)入時(shí)先對輔助對象加鎖然后再檢測對象是否被創(chuàng )建，這樣可以確保只有一個(gè)實(shí)例被創(chuàng )建，因為在同一個(gè)時(shí)刻加了鎖的那部分程序只有一個(gè)線(xiàn)程可以進(jìn)入。這種情況下，對象實(shí)例由最先進(jìn)入的那個(gè)線(xiàn)程創(chuàng )建，后來(lái)的線(xiàn)程在進(jìn)入時(shí)（instence == null）為假，不會(huì )再去創(chuàng )建對象實(shí)例了。但是這種實(shí)現方式增加了額外的開(kāi)銷(xiāo)，損失了性能。
3．雙重鎖定 1public sealed class Singleton
2{
3 static Singleton instance=null;
4 static readonly object padlock = new object();
5
6 Singleton()
7{
8 }
9
10 public static Singleton Instance
11{
12 get
13{
14 if (instance==null)
15{
16 lock (padlock)
17{
18 if (instance==null)
19{
20 instance = new Singleton();
21 }
22 }
23 }
24 return instance;
25 }
26 }
27}
28
4．靜態(tài)初始化 1public sealed class Singleton
2{
3 static readonly Singleton instance=new Singleton();
4
5 static Singleton()
6{
7 }
8
9 Singleton()
10{
11 }
12
13 public static Singleton Instance
14{
15 get
16{
17 return instance;
18 }
19 }
20}
21
該實(shí)現與前面的示例類(lèi)似，不同之處在于它依賴(lài)公共語(yǔ)言運行庫來(lái)初始化變量。它仍然可以用來(lái)解決 Singleton 模式試圖解決的兩個(gè)基本問(wèn)題：全局訪(fǎng)問(wèn)和實(shí)例化控制。公共靜態(tài)屬性為訪(fǎng)問(wèn)實(shí)例提供了一個(gè)全局訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。此外，由于構造函數是私有的，因此不能在類(lèi)本身以外實(shí)例化 Singleton 類(lèi)；因此，變量引用的是可以在系統中存在的唯一的實(shí)例。
由于 Singleton 實(shí)例被私有靜態(tài)成員變量引用，因此在類(lèi)首次被對 Instance 屬性的調用所引用之前，不會(huì )發(fā)生實(shí)例化。
這種方法唯一的潛在缺點(diǎn)是，您對實(shí)例化機制的控制權較少。在 Design Patterns 形式中，您能夠在實(shí)例化之前使用非默認的構造函數或執行其他任務(wù)。由于在此解決方案中由 .NET Framework 負責執行初始化，因此您沒(méi)有這些選項。在大多數情況下，靜態(tài)初始化是在 .NET 中實(shí)現 Singleton 的首選方法。
5．延遲初始化 1public sealed class Singleton
2{
3 Singleton()
4{
5 }
6
7 public static Singleton Instance
8{
9 get
10{
11 return Nested.instance;
12 }
13 }
14
15 class Nested
16{
17 static Nested()
18{
19 }
20
21 internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
22 }
23}
24
現方式。
實(shí)現要點(diǎn)
l Sigleton模式是限制而不是改進(jìn)類(lèi)的創(chuàng )建。 l Sigleton類(lèi)中的實(shí)例構造器可以設置為Protected以允許子類(lèi)派生。 l Sigleton模式一般不要支持Icloneable接口，因為這可能導致多個(gè)對象實(shí)例，與Sigleton模式的初衷違背。 l Sigleton模式一般不要支持序列化，這也有可能導致多個(gè)對象實(shí)例，這也與Sigleton模式的初衷違背。 l Sigleton只考慮了對象創(chuàng )建的管理，沒(méi)有考慮到銷(xiāo)毀的管理，就支持垃圾回收的平臺和對象的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)講，我們一般沒(méi)必要對其銷(xiāo)毀進(jìn)行特殊的管理。 l 理解和擴展Sigleton模式的核心是“如何控制用戶(hù)使用new對一個(gè)類(lèi)的構造器的任意調用”。
l 可以很簡(jiǎn)單的修改一個(gè)Sigleton，使它有少數幾個(gè)實(shí)例，這樣做是允許的而且是有意義的。
優(yōu)點(diǎn)
l 實(shí)例控制：Singleton 會(huì )阻止其他對象實(shí)例化其自己的 Singleton 對象的副本，從而確保所有對象都訪(fǎng)問(wèn)唯一實(shí)例
l 靈活性：因為類(lèi)控制了實(shí)例化過(guò)程，所以類(lèi)可以更加靈活修改實(shí)例化過(guò)程
缺點(diǎn)
l 開(kāi)銷(xiāo)：雖然數量很少，但如果每次對象請求引用時(shí)都要檢查是否存在類(lèi)的實(shí)例，將仍然需要一些開(kāi)銷(xiāo)?？梢酝ㄟ^(guò)使用靜態(tài)初始化解決此問(wèn)題，上面的五種實(shí)現方式中已經(jīng)說(shuō)過(guò)了。
l 可能的開(kāi)發(fā)混淆：使用 singleton 對象（尤其在類(lèi)庫中定義的對象）時(shí)，開(kāi)發(fā)人員必須記住自己不能使用 new 關(guān)鍵字實(shí)例化對象。因為可能無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)庫源代碼，因此應用程序開(kāi)發(fā)人員可能會(huì )意外發(fā)現自己無(wú)法直接實(shí)例化此類(lèi)。
l 對象的生存期：Singleton 不能解決刪除單個(gè)對象的問(wèn)題。在提供內存管理的語(yǔ)言中（例如基于 .NET Framework 的語(yǔ)言），只有 Singleton 類(lèi)能夠導致實(shí)例被取消分配，因為它包含對該實(shí)例的私有引用。在某些語(yǔ)言中（如 C++），其他類(lèi)可以刪除
對象實(shí)例，但這樣會(huì )導致 Singleton 類(lèi)中出現懸浮引用。
適用性
l 當類(lèi)只能有一個(gè)實(shí)例而且客戶(hù)可以從一個(gè)眾所周知的訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)它時(shí)。
l 當這個(gè)唯一實(shí)例應該是通過(guò)子類(lèi)化可擴展的，并且客戶(hù)應該無(wú)需更改代碼就能使用一個(gè)擴展的實(shí)例時(shí)。
應用場(chǎng)景
l 每臺計算機可以有若干個(gè)打印機，但只能有一個(gè)Printer Spooler，避免兩個(gè)打印作業(yè)同時(shí)輸出到打印機。
（摘自呂震宇的C#設計模式（7）－Singleton Pattern）
l PC機中可能有幾個(gè)串口，但只能有一個(gè)COM1口的實(shí)例。
l 系統中只能有一個(gè)窗口管理器。
l .NET Remoting中服務(wù)器激活對象中的Sigleton對象，確保所有的客戶(hù)程序的請求都只有一個(gè)實(shí)例來(lái)處理。
完整示例
這是一個(gè)簡(jiǎn)單的計數器例子，四個(gè)線(xiàn)程同時(shí)進(jìn)行計數。
1using System;
2using System.Threading;
3
4namespace SigletonPattern.SigletonCounter
5{
6 /**//// <summary>
7 /// 功能：簡(jiǎn)單計數器的單件模式
8 /// 編寫(xiě)：Terrylee
9 /// 日期：2005年12月06日
10 /// </summary>
11 public class CountSigleton
12{
13 /**////存儲唯一的實(shí)例
14 static CountSigleton uniCounter = new CountSigleton();
15
16 /**////存儲計數值
17 private int totNum = 0;
18
19 private CountSigleton()
20
21{
22 /**////線(xiàn)程延遲2000毫秒
23 Thread.Sleep(2000);
24 }
25
26 static public CountSigleton Instance()
27
28{
29
30 return uniCounter;
31
32 }
33
34 /**////計數加1
35 public void Add()
36{
37 totNum ++;
38 }
39
40 /**////獲得當前計數值
41 public int GetCounter()
42{
43 return totNum;
44 }
45
46 }
47}
48 1using System;
2using System.Threading;
3using System.Text;
4
5namespace SigletonPattern.SigletonCounter
6{
7 /**//// <summary>
8 /// 功能：創(chuàng )建一個(gè)多線(xiàn)程計數的類(lèi)
9 /// 編寫(xiě)：Terrylee
10 /// 日期：2005年12月06日
11 /// </summary>
12 public class CountMutilThread
13{
14 public CountMutilThread()
15{
16
17 }
18
19 /**//// <summary>
20 /// 線(xiàn)程工作
21 /// </summary>
22 public static void DoSomeWork()
23{
24 /**////構造顯示字符串
25 string results = "";
26
27 /**////創(chuàng )建一個(gè)Sigleton實(shí)例
28 CountSigleton MyCounter = CountSigleton.Instance();
29
30 /**////循環(huán)調用四次
31 for(int i=1;i<5;i++)
32{
33 /**////開(kāi)始計數
34 MyCounter.Add();
35
36 results +="線(xiàn)程";
37 results += Thread.CurrentThread.Name.ToString() + "——〉";
38 results += "當前的計數：";
39 results += MyCounter.GetCounter().ToString();
40 results += "\n";
41
42 Console.WriteLine(results);
43
44 /**////清空顯示字符串
45 results = "";
46 }
47 }
48
49 public void StartMain()
50{
51
52 Thread thread0 = Thread.CurrentThread;
53
54 thread0.Name = "Thread 0";
55
56 Thread thread1 =new Thread(new ThreadStart(DoSomeWork));
57
58 thread1.Name = "Thread 1";
59
60 Thread thread2 =new Thread(new ThreadStart(DoSomeWork));
61
62 thread2.Name = "Thread 2";
63
64 Thread thread3 =new Thread(new ThreadStart(DoSomeWork));
65
66 thread3.Name = "Thread 3";
67
68 thread1.Start();
69
70 thread2.Start();
71
72 thread3.Start();
73
74 /**////線(xiàn)程0也只執行和其他線(xiàn)程相同的工作
75 DoSomeWork();
76 }
77 }
78}
79 1using System;
2using System.Text;
3using System.Threading;
4
5namespace SigletonPattern.SigletonCounter
6{
7 /**//// <summary>
8 /// 功能：實(shí)現多線(xiàn)程計數器的客戶(hù)端
9 /// 編寫(xiě)：Terrylee
10 /// 日期：2005年12月06日
11 /// </summary>
12 public class CountClient
13{
14 public static void Main(string[] args)
15{
16 CountMutilThread cmt = new CountMutilThread();
17
18 cmt.StartMain();
19
20 Console.ReadLine();
21 }
22 }
23}
24
總結
Sigleton設計模式是一個(gè)非常有用的機制，可用于在面向對象的應用程序中提供單個(gè)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。文中通過(guò)五種實(shí)現方式的比較和一個(gè)完整的示例，完成了對Sigleton模式的一個(gè)總結和探索。用一句廣告詞來(lái)概括Sigleton模式就是“簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單”。
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源碼下載：/Files/Terrylee/SigletonPattern.rar
參考文獻：
《C#計模式》，中國電力出版社
使用 Microsoft .NET 的企業(yè)解決方案模式
《Implementing the Singleton Pattern in C#》
MSDN《Exploring the Singleton Design Pattern》
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