——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(gè)類(lèi)有且僅有一個(gè)實(shí)例，并且提供了一個(gè)全局的訪問(wèn)點(diǎn)。這就提出了一個(gè)問(wèn)題：如何繞過(guò)常規(guī)的構(gòu)造器，提供一種機(jī)制來(lái)保證一個(gè)類(lèi)只有一個(gè)實(shí)例？客戶程序在調(diào)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(yīng)該是類(lèi)設(shè)計(jì)者的責(zé)任，而不是類(lèi)使用者的責(zé)任。
從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，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(gè)對(duì)象，這個(gè)對(duì)象扮演了獨(dú)一無(wú)二的角色，在這個(gè)單獨(dú)的對(duì)象實(shí)例中，它集中了它所屬類(lèi)的所有權(quán)力，同時(shí)它也肩負(fù)了行使這種權(quán)力的職責(zé)！
意圖
保證一個(gè)類(lèi)僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問(wèn)它的全局訪問(wèn)點(diǎn)。
模型圖
邏輯模型圖：
物理模型圖：
生活中的例子
美國(guó)總統(tǒng)的職位是Sigleton，美國(guó)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(shí)刻只能由一個(gè)現(xiàn)任的總統(tǒng)。無(wú)論現(xiàn)任總統(tǒng)的身份為何，其頭銜"美利堅(jiān)合眾國(guó)總統(tǒng)"是訪問(wèn)這個(gè)職位的人的一個(gè)全局的訪問(wèn)點(diǎn)。
五種實(shí)現(xiàn)
1．簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)
這種方式的實(shí)現(xiàn)對(duì)于線程來(lái)說(shuō)并不是安全的，因?yàn)樵诙嗑€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)線程去判斷（instance == null），并且得到的結(jié)果為真，這時(shí)兩個(gè)線程都會(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(jì)算出表達(dá)式的值之前，對(duì)象實(shí)例已經(jīng)被創(chuàng)建，但是內(nèi)存模型并不能保證對(duì)象實(shí)例在第二個(gè)線程創(chuàng)建之前被發(fā)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}
該實(shí)現(xiàn)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(nèi)部創(chuàng)建的，因此類(lèi)可以使用附加功能（例如，對(duì)子類(lèi)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(duì)象要求產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)時(shí)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(duì)于線程來(lái)說(shuō)是安全的。我們首先創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)程輔助對(duì)象，線程在進(jìn)入時(shí)先對(duì)輔助對(duì)象加鎖然后再檢測(cè)對(duì)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?yàn)樵谕粋€(gè)時(shí)刻加了鎖的那部分程序只有一個(gè)線程可以進(jìn)入。這種情況下，對(duì)象實(shí)例由最先進(jìn)入的那個(gè)線程創(chuàng)建，后來(lái)的線程在進(jìn)入時(shí)（instence == null）為假，不會(huì)再去創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例了。但是這種實(shí)現(xiàn)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(xiàn)與前面的示例類(lèi)似，不同之處在于它依賴公共語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù)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：全局訪問(wèn)和實(shí)例化控制。公共靜態(tài)屬性為訪問(wèn)實(shí)例提供了一個(gè)全局訪問(wèn)點(diǎn)。此外，由于構(gòu)造函數(shù)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(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(lèi)首次被對(duì) Instance 屬性的調(diào)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(duì)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(méi)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
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(lèi)的創(chuàng)建。 l Sigleton類(lèi)中的實(shí)例構(gòu)造器可以設(shè)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?yàn)檫@可能導(dǎo)致多個(gè)對(duì)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(gè)對(duì)象實(shí)例，這也與Sigleton模式的初衷違背。 l Sigleton只考慮了對(duì)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(tái)和對(duì)象的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)講，我們一般沒(méi)必要對(duì)其銷(xiāo)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(duì)一個(gè)類(lèi)的構(gòu)造器的任意調(diào)用”。
l 可以很簡(jiǎn)單的修改一個(gè)Sigleton，使它有少數(shù)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(duì)象實(shí)例化其自己的 Singleton 對(duì)象的副本，從而確保所有對(duì)象都訪問(wèn)唯一實(shí)例
l 靈活性：因?yàn)轭?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(shù)量很少，但如果每次對(duì)象請(qǐng)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(xiàn)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(duì)象（尤其在類(lèi)庫(kù)中定義的對(duì)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(duì)象。因?yàn)榭赡軣o(wú)法訪問(wèn)庫(kù)源代碼，因此應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員可能會(huì)意外發(fā)現(xiàn)自己無(wú)法直接實(shí)例化此類(lèi)。
l 對(duì)象的生存期：Singleton 不能解決刪除單個(gè)對(duì)象的問(wèn)題。在提供內(nèi)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?qū)е聦?shí)例被取消分配，因?yàn)樗瑢?duì)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(duì)象實(shí)例，但這樣會(huì)導(dǎo)致 Singleton 類(lèi)中出現(xiàn)懸浮引用。
適用性
l 當(dāng)類(lèi)只能有一個(gè)實(shí)例而且客戶可以從一個(gè)眾所周知的訪問(wèn)點(diǎn)訪問(wèn)它時(shí)。
l 當(dāng)這個(gè)唯一實(shí)例應(yīng)該是通過(guò)子類(lèi)化可擴(kuò)展的，并且客戶應(yīng)該無(wú)需更改代碼就能使用一個(gè)擴(kuò)展的實(shí)例時(shí)。
應(yīng)用場(chǎng)景
l 每臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有若干個(gè)打印機(jī)，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(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(gè)串口，但只能有一個(gè)COM1口的實(shí)例。
l 系統(tǒng)中只能有一個(gè)窗口管理器。
l .NET Remoting中服務(wù)器激活對(duì)象中的Sigleton對(duì)象，確保所有的客戶程序的請(qǐng)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(jì)數(shù)器例子，四個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
1using System;
2using System.Threading;
3
4namespace SigletonPattern.SigletonCounter
5{
6 /**//// <summary>
7 /// 功能：簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)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(chǔ)唯一的實(shí)例
14 static CountSigleton uniCounter = new CountSigleton();
15
16 /**////存儲(chǔ)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(gè)多線程計(jì)數(shù)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(gè)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(kāi)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(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(jié)
Sigleton設(shè)計(jì)模式是一個(gè)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(gè)訪問(wèn)點(diǎn)。文中通過(guò)五種實(shí)現(xiàn)方式的比較和一個(gè)完整的示例，完成了對(duì)Sigleton模式的一個(gè)總結(jié)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”。
_________________________________________________________________________________________________
源碼下載：/Files/Terrylee/SigletonPattern.rar
參考文獻(xiàn)：
《C#計(jì)模式》，中國(guó)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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