深入浅出设计模式——单例模式（Singleton Pattern）

模式动机
对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID（序号）生成器。
如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。
一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

模式定义
单例模式(Singleton Pattern)：单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。
单例模式的要点有三个：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。
Singleton Pattern: Ensure a class has only one instance and provide a global point of access to it.
Frequency of use: medium high
UML图

模式结构
单例模式包含如下角色：
Singleton：单例

模式分析
单例模式的目的是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。单例模式包含的角色只有一个，就是单例类——Singleton。单例类拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法，该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。

在单例模式的实现过程中，需要注意如下三点：
单例类的构造函数为私有；
提供一个自身的静态私有成员变量；
提供一个公有的静态工厂方法。

实例：身份证号码
在现实生活中，居民身份证号码具有唯一性，同一个人不允许有多个身份证号码，第一次申请身份证时将给居民分配一个身份证号码，如果之后因为遗失等原因补办时，还是使用原来的身份证号码，不会产生新的号码。
Singleton.cs

namespace SingletonPattern
{
    class Singleton
    {
        private static Singleton instance;
        //构造方法让其private，这就堵死了外界利用new创建此类实例的可能
        private Singleton()
        {
        }
        //此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
        public static Singleton GetInstance()
        {
            //若实例不存在，则new一个新实例，否则返回已有的实例
            if (instance == null)
            {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

客户端代码

using System;

namespace SingletonPattern
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Singleton s1 = Singleton.GetInstance();
            Singleton s2 = Singleton.GetInstance();
            if (s1 == s2)
            {
                Console.WriteLine("两个对象是相同的实例");
            }

            Console.Read();
        }
    }
}

单例模式的优点
 提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它，并为设计及开发团队提供了共享的概念。
 由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。
 允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

单例模式的缺点
 由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
 滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致对象状态的丢失。

模式适用环境
在以下情况下可以使用单例模式：
 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。
 在一个系统中要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来，如果一个类可以有几个实例共存，就需要对单例模式进行改进，使之成为多例模式。