深入淺出單件模式（Sigleton Pattern）

——探索設(shè)計(jì)模式系列之二

Terrylee，2005年12月07日

概述

Sigleton模式要求一個類有且僅有一個實(shí)例，并且提供了一個全局的訪問點(diǎn)。這就提出了一個問題：如何繞過常規(guī)的構(gòu)造器，提供一種機(jī)制來保證一個類只有一個實(shí)例？客戶程序在調(diào)用某一個類時，它是不會考慮這個類是否只能有一個實(shí)例等問題的，所以，這應(yīng)該是類設(shè)計(jì)者的責(zé)任，而不是類使用者的責(zé)任。

從另一個角度來說，Sigleton模式其實(shí)也是一種職責(zé)型模式。因?yàn)槲覀儎?chuàng)建了一個對象，這個對象扮演了獨(dú)一無二的角色，在這個單獨(dú)的對象實(shí)例中，它集中了它所屬類的所有權(quán)力，同時它也肩負(fù)了行使這種權(quán)力的職責(zé)！

意圖

保證一個類僅有一個實(shí)例，并提供一個訪問它的全局訪問點(diǎn)。

模型圖

邏輯模型圖：

物理模型圖：

生活中的例子

美國總統(tǒng)的職位是Sigleton，美國憲法規(guī)定了總統(tǒng)的選舉，任期以及繼任的順序。這樣，在任何時刻只能由一個現(xiàn)任的總統(tǒng)。無論現(xiàn)任總統(tǒng)的身份為何，其頭銜"美利堅(jiān)合眾國總統(tǒng)"是訪問這個職位的人的一個全局的訪問點(diǎn)。

五種實(shí)現(xiàn)

1．簡單實(shí)現(xiàn)

 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}

這種方式的實(shí)現(xiàn)對于線程來說并不是安全的，因?yàn)樵诙嗑€程的環(huán)境下有可能得到Sigleton類的多個實(shí)例。如果同時有兩個線程去判斷（instance == null），并且得到的結(jié)果為真，這時兩個線程都會創(chuàng)建類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(jì)算出表達(dá)式的值之前，對象實(shí)例已經(jīng)被創(chuàng)建，但是內(nèi)存模型并不能保證對象實(shí)例在第二個線程創(chuàng)建之前被發(fā)現(xiàn)。

該實(shí)現(xiàn)方式主要有兩個優(yōu)點(diǎn)：

l         由于實(shí)例是在 Instance 屬性方法內(nèi)部創(chuàng)建的，因此類可以使用附加功能（例如，對子類進(jìn)行實(shí)例化），即使它可能引入不想要的依賴性。

l         直到對象要求產(chǎn)生一個實(shí)例才執(zhí)行實(shí)例化；這種方法稱為“惰性實(shí)例化”。惰性實(shí)例化避免了在應(yīng)用程序啟動時實(shí)例化不必要的 singleton。

2．安全的線程

 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(xiàn)對于線程來說是安全的。我們首先創(chuàng)建了一個進(jìn)程輔助對象，線程在進(jìn)入時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實(shí)例被創(chuàng)建，因?yàn)樵谕粋€時刻加了鎖的那部分程序只有一個線程可以進(jìn)入。這種情況下，對象實(shí)例由最先進(jìn)入的那個線程創(chuàng)建，后來的線程在進(jìn)入時（instence == null）為假，不會再去創(chuàng)建對象實(shí)例了。但是這種實(shí)現(xiàn)方式增加了額外的開銷，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

這種實(shí)現(xiàn)方式對多線程來說是安全的，同時線程不是每次都加鎖，只有判斷對象實(shí)例沒有被創(chuàng)建時它才加鎖，有了我們上面第一部分的里面的分析，我們知道，加鎖后還得再進(jìn)行對象是否已被創(chuàng)建的判斷。它解決了線程并發(fā)問題，同時避免在每個 Instance 屬性方法的調(diào)用中都出現(xiàn)獨(dú)占鎖定。它還允許您將實(shí)例化延遲到第一次訪問對象時發(fā)生。實(shí)際上，應(yīng)用程序很少需要這種類型的實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)情況下我們會用靜態(tài)初始化。這種方式仍然有很多缺點(diǎn)：無法實(shí)現(xiàn)延遲初始化。

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

看到上面這段富有戲劇性的代碼，我們可能會產(chǎn)生懷疑，這還是Sigleton模式嗎？在此實(shí)現(xiàn)中，將在第一次引用類的任何成員時創(chuàng)建實(shí)例。公共語言運(yùn)行庫負(fù)責(zé)處理變量初始化。該類標(biāo)記為 sealed 以阻止發(fā)生派生，而派生可能會增加實(shí)例。此外，變量標(biāo)記為 readonly，這意味著只能在靜態(tài)初始化期間（此處顯示的示例）或在類構(gòu)造函數(shù)中分配變量。

該實(shí)現(xiàn)與前面的示例類似，不同之處在于它依賴公共語言運(yùn)行庫來初始化變量。它仍然可以用來解決 Singleton 模式試圖解決的兩個基本問題：全局訪問和實(shí)例化控制。公共靜態(tài)屬性為訪問實(shí)例提供了一個全局訪問點(diǎn)。此外，由于構(gòu)造函數(shù)是私有的，因此不能在類本身以外實(shí)例化 Singleton 類；因此，變量引用的是可以在系統(tǒng)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，因此在類首次被對 Instance 屬性的調(diào)用所引用之前，不會發(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(jī)制的控制權(quán)較少。在 Design Patterns 形式中，您能夠在實(shí)例化之前使用非默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)或執(zhí)行其他任務(wù)。由于在此解決方案中由 .NET Framework 負(fù)責(zé)執(zhí)行初始化，因此您沒有這些選項(xiàng)。在大多數(shù)情況下，靜態(tài)初始化是在 .NET 中實(shí)現(xiàn) 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

這里，初始化工作有Nested類的一個靜態(tài)成員來完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了延遲初始化，并具有很多的優(yōu)勢，是值得推薦的一種實(shí)

現(xiàn)方式。

實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

l        Sigleton模式是限制而不是改進(jìn)類的創(chuàng)建。

l         Sigleton類中的實(shí)例構(gòu)造器可以設(shè)置為Protected以允許子類派生。

l         Sigleton模式一般不要支持Icloneable接口，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致多個對象實(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(dǎo)致多個對象實(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，沒有考慮到銷毀的管理，就支持垃圾回收的平臺和對象的開銷來講，我們一般沒必要對其銷毀進(jìn)行特殊的管理。

l         理解和擴(kuò)展Sigleton模式的核心是“如何控制用戶使用new對一個類的構(gòu)造器的任意調(diào)用”。

l         可以很簡單的修改一個Sigleton，使它有少數(shù)幾個實(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問唯一實(shí)例

l         靈活性：因?yàn)轭惪刂屏藢?shí)例化過程，所以類可以更加靈活修改實(shí)例化過程

缺點(diǎn)

l         開銷：雖然數(shù)量很少，但如果每次對象請求引用時都要檢查是否存在類的實(shí)例，將仍然需要一些開銷。可以通過使用靜態(tài)初始化解決此問題，上面的五種實(shí)現(xiàn)方式中已經(jīng)說過了。

l          可能的開發(fā)混淆：使用 singleton 對象（尤其在類庫中定義的對象）時，開發(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?yàn)榭赡軣o法訪問庫源代碼，因此應(yīng)用程序開發(fā)人員可能會意外發(fā)現(xiàn)自己無法直接實(shí)例化此類。

l         對象的生存期：Singleton 不能解決刪除單個對象的問題。在提供內(nèi)存管理的語言中（例如基于 .NET Framework 的語言），只有 Singleton 類能夠?qū)е聦?shí)例被取消分配，因?yàn)樗瑢υ搶?shí)例的私有引用。在某些語言中（如 C++），其他類可以刪除
對象實(shí)例，但這樣會導(dǎo)致 Singleton 類中出現(xiàn)懸浮引用。

適用性

l         當(dāng)類只能有一個實(shí)例而且客戶可以從一個眾所周知的訪問點(diǎn)訪問它時。

l         當(dāng)這個唯一實(shí)例應(yīng)該是通過子類化可擴(kuò)展的，并且客戶應(yīng)該無需更改代碼就能使用一個擴(kuò)展的實(shí)例時。

應(yīng)用場景

l         每臺計(jì)算機(jī)可以有若干個打印機(jī)，但只能有一個Printer Spooler，避免兩個打印作業(yè)同時輸出到打印機(jī)。
（摘自呂震宇的C#設(shè)計(jì)模式（7）－Singleton Pattern）

l         PC機(jī)中可能有幾個串口，但只能有一個COM1口的實(shí)例。

l         系統(tǒng)中只能有一個窗口管理器。

l         .NET Remoting中服務(wù)器激活對象中的Sigleton對象，確保所有的客戶程序的請求都只有一個實(shí)例來處理。

完整示例

這是一個簡單的計(jì)數(shù)器例子，四個線程同時進(jìn)行計(jì)數(shù)。

 1using System;
 2using System.Threading;
 3
 4namespace SigletonPattern.SigletonCounter
 5{
 6    /**//// <summary>
 7    /// 功能：簡單計(jì)數(shù)器的單件模式
 8    /// 編寫：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(jì)數(shù)值
17        private int totNum = 0;  
18   
19        private CountSigleton() 
20   
21        { 
22            /**////線程延遲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(jì)數(shù)加1
35        public void Add()
36        { 
37            totNum ++;
38        }  
39        
40        /**////獲得當(dāng)前計(jì)數(shù)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)建一個多線程計(jì)數(shù)的類
 9    /// 編寫：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        /// 線程工作
21        /// </summary>
22        public static void DoSomeWork()
23        {
24            /**////構(gòu)造顯示字符串
25            string results = "";
26
27            /**////創(chuàng)建一個Sigleton實(shí)例
28            CountSigleton MyCounter = CountSigleton.Instance();
29
30            /**////循環(huán)調(diào)用四次
31            for(int i=1;i<5;i++)
32            {
33                /**////開始計(jì)數(shù)
34                MyCounter.Add();
35                
36                results +="線程";
37                results += Thread.CurrentThread.Name.ToString() + "——〉";
38                results += "當(dāng)前的計(jì)數(shù)：";
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            /**////線程0也只執(zhí)行和其他線程相同的工作
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(xiàn)多線程計(jì)數(shù)器的客戶端
 9    /// 編寫：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(jié)

Sigleton設(shè)計(jì)模式是一個非常有用的機(jī)制，可用于在面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序中提供單個訪問點(diǎn)。文中通過五種實(shí)現(xiàn)方式的比較和一個完整的示例，完成了對Sigleton模式的一個總結(jié)和探索。用一句廣告詞來概括Sigleton模式就是“簡約而不簡單”。

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源碼下載：/Files/Terrylee/SigletonPattern.rar

參考文獻(xiàn)：

《C#計(jì)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》

呂震宇C#設(shè)計(jì)模式（7）－Singleton Pattern

C#的Singleton設(shè)計(jì)模式