Singleton patterns 单件(创建型模式)

1、模式分类

1.1  从目的来看：

•      – 创建型（Creational）模式：负责对象创建。

•      – 结构型（Structural）模式：处理类与对象间的组合。

•      – 行为型（Behavioral）模式：类与对象交互中的职责分配。

1.2 从范围来看：

•     – 类模式处理类与子类的静态关系。

•     – 对象模式处理对象间的动态关系。

2、动机（Motivation）目的

在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率。

3、意图（Intent）

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点。

——《设计模式》GoF

4、单例模式多种实现方法

4.1 单线程Singleton 模式实现

  class Singleton
     {
         private static Singleton instance;
         private Singleton() //防止外界随意new此对象,如果访问级别设置成protected,那么子类可以派生，同时也也不可以实例化此对象
         {
         }
         public static Singleton Instance
         {
             get {
                 if (instance == null)  //起到延迟加载对象的作用，当用户用不到此实例的时候
                 {
                     instance = new Singleton();
                 }
                 return instance;
             }
         }
     }

单线程Singleton模式的几个要点
                  • Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。(同样不可实例化对象，受保护级别限制)
                  • Singleton模式一般不要支持ICloneable接口(实例克隆)，因为这可能会导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背。(实现了ICloneable接口，就必须实现Clone()方法，在此方法中我们可以返回新的对象，这样就与Singleton模式相违背了！)
                  • Singleton模式一般不要支持序列化，因为这也有可能导致多个对象实例，同样与Singleton模式的初衷违背。(构造对象的方式:可以通过构造器，也可以通过序列化构造对象,序列化出来的对象和原来的对象地址是不一样的，是完全的深拷贝方式(创建新的对象))
                  • Singletom模式只考虑到了对象创建的管理，没有考虑对象销毁的管理。就支持垃圾回收的平台和对象的开销来讲，我们一般没有必要对其销毁进行特殊的管理。
          (缺点)• 不能应对多线程环境：在多线程环境下，使用Singleton模式仍然有可能得到Singleton类的多个实例对象。(在上面的代码第10行进行if判断的时候，假设现在有两个线程(A,B)同时执行到了此行，当A线程进行if判断，此时判断为null，就去实例化对象，但是A线程还没来得及进行对象的实例化的时候，此时B线程就进行了if的判断，并完成了对此对象的判断，判断为null，所以B线程就会去创建另一个实例，所以就创建了两个实例！)

4.2、多线程Singleton 模式实现

 class Singleton
     {
         private static volatile Singleton instance = null; //volatile(编译器在对代码进行编译的时候,会对代码进行一些微调,对代码的顺序进行调整,
                                                                volatile关键字就保证了编译器不会对instance进行代码的微调,
                                                                这样就保证了严格意义上的多线程不会出现创建出多个实例的情况)
         private static object lockHelper = new object(); //辅助器
         private Singleton() //防止外界随意new此对象
         {
         }
         public static Singleton Instance
         {
             get
             {
                 if (instance == null)
                 {
                     lock (lockHelper)
                     {
                         if (instance == null)//双检查
                         {
                             instance = new Singleton();
                         }
                     }
                 }
                 return instance;
             }
         }
     }

优缺点：这种实现方式对多线程来说是安全的，同时线程不是每次都加锁，只有判断对象实例没有被创建时它才加锁(如果最外层的if不加的话，那么其他线程都会进行加锁操作，会增加额外的开销，损失性能)，加锁后还得再进行对象是否已被创建的判断。它解决了线程并发问题，同时避免在每个 Instance 属性方法的调用中都出现独占锁定。它还允许您将实例化延迟到第一次访问对象时发生。

volatile:

MSDN上的解释:volatile 关键字表示字段可能被多个并发执行线程修改。声明为 volatile 的字段不受编译器优化（假定由单个线程访问）的限制。这样可以确保该字段在任何时间呈现的都是最新的值

4.3、 使用.NET类型初始化机制实现多线程Singleton 模式(最好的方式)

    sealed class Singleton
     {
         private static readonly Singleton instance = new Singleton();
         private Singleton() //防止外界随意new此对象
         {
         }
     }

其实上面的代码实现如果展开来的话等同于下面代码的实现

   sealed class Singleton
     {
         private static readonly Singleton instance;
         static Singleton() //在调用instance静态字段时会先去执行此静态构造器，静态构造器能保证多线程环境下只有一个线程执行了此静态构造器，为我们自动加锁
         {
             instance = new Singleton();//在静态构造器中实例化
         }
         private Singleton() //防止外界随意new此对象
         {
         }
     }

该类标记为 sealed 以阻止发生派生，而派生可能会增加实例。此外，变量标记为 readonly，这意味着只能在静态初始化期间（此处显示的示例）或在类构造函数中分配变量。

缺点：

• 我们对实例化机制的控制权较少！在4.1和4.2中能够在实例化之前使用非默认的构造函数或执行其他任务。由于在此实现方法中由 .NET Framework负责执行初始化，因此您没有这些选项。
• 无法实现延迟初始化，
• 4.3的实现方法无法进行传参，4.1和4.2的实现方式都可以进行传参，主要是因为对象的实例化是在方法内部创建的(属性实质为方法)，所以我们可以把属性写成带参数的方法即可！如下，对4.1方法变为带参数的！

  class Singleton
     {
         private static Singleton instance;
         public string Name { get; set; }
         public int Age { get; set; }
         public static Singleton GetInstance(string name, int age)
         {
             if (instance == null)
             {
                 instance = new Singleton(name, age);
             }
             return instance;
         }
         private Singleton(string name, int age)
         {
             this.Name = name;
             this.Age = age;
         }
     }

5、延迟初始化

 public sealed class Singleton
  {
      Singleton()
      {
      }
      public static Singleton Instance
      {
          get
         {
             return Nested.instance;
         }
      }
     class Nested
     {
         static Nested()
         {
         }
        internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
     }
 }

这里，初始化工作有Nested类的一个静态成员来完成，这样就实现了延迟初始化，并具有很多的优势，是值得推荐的一种实现方式

6、Singleton模式扩展
            • 将一个实例扩展到固定几个实例，例如对象池的实现。这样做是允许的而且是有意义的！
            • 将new 构造器的调用转移到其他类中，例如多个类协同工作环境中，某个局部环境只需要拥有某个类的一个实例。
            • 理解和扩展Singleton模式的核心是“如何控制用户使用new对一个类的实例构造器的任意调用”。

7、.NET框架中的Singleton应用

• winform程序，你只需要点击按钮，弹出一个窗口，并且保证此窗口只能有一个！再点击按钮是无法在弹出此窗体的！
• PC机中可能有几个串口，但只能有一个COM1口的实例。
• 系统中只能有一个窗口管理器。
• .NET Remoting中服务器激活对象中的Sigleton对象，确保所有的客户程序的请求都只有一个实例来处理。

8、推荐参考书
            • 《设计模式：可复用面向对象软件的基础》GoF                             --小白看起来会有点困难
            • 《面向对象分析与设计》Grady Booch                                       --翻译有些问题
            • 《敏捷软件开发：原则、模式与实践》Robert C. Martin
            • 《重构：改善既有代码的设计》 Martin Fowler
            • 《Refactoring to Patterns》Joshua Kerievsky                         --没中文版

9、参考

《C#面向对象设计模式纵横谈》    李建忠

http://terrylee.cnblogs.com    TerryLee

作者：MrZivChu

2013-08-02 15:34:03