C#设计模式-单例模式

单例模式三种写法：

第一种最简单，但没有考虑线程安全，在多线程时可能会出问题……

public class Singleton
    {
        private static Singleton _instance;

        private Singleton()
        {
        }

        public static Singleton CreateInstance()
        {
            return _instance ?? (_instance = new Singleton());
        }
    }

第二种考虑了线程安全

public class Singleton
    {
        private volatile static Singleton _instance = null;
        private static readonly object Obj = new object();
        private Singleton() { }
        public static Singleton CreateInstance()
        {
            if (_instance == null)
            {
                lock (Obj)
                {
                    if (_instance == null)
                        _instance = new Singleton();
                }
            }
            return _instance;
        }
    }

第三种饥饿懒汉模式

public class Singleton
    {
        public static readonly Singleton Instance = new Singleton();

        private Singleton()
        {
        }
    }

一、 单例（Singleton）模式

单例模式的特点：

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其它对象提供这一实例。

单例模式应用：

• 每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，避免两个打印作业同时输出到打印机。
• 一个具有自动编号主键的表可以有多个用户同时使用，但数据库中只能有一个地方分配下一个主键编号。否则会出现主键重复。

二、 Singleton模式的结构：

Singleton模式包含的角色只有一个，就是Singleton。Singleton拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new直接实例它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量instance与静态公有方法Instance()。Instance方法负责检验并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。（关于线程问题以及C#所特有的Singleton将在后面详细论述）。

三、 程序举例：

该程序演示了Singleton的结构，本身不具有任何实际价值。

public class Singleton
    {
        private static Singleton _instance;

        protected Singleton() { }

        public static Singleton Instance()
        {
            return _instance ?? (_instance = new Singleton());
        }
    }

class Program
    {
        static void Main()
        {
            Singleton s1 = Singleton.Instance();
            Singleton s2 = Singleton.Instance();

            if (s1 == s2)
                Console.WriteLine("The same instance");
        }
    }

四、 在什么情形下使用单例模式：

使用Singleton模式有一个必要条件：在一个系统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，就不要使用单例模式。

注意：

不要使用单例模式存取全局变量。这违背了单例模式的用意，最好放到对应类的静态成员中。

不要将数据库连接做成单例，因为一个系统可能会与数据库有多个连接，并且在有连接池的情况下，应当尽可能及时释放连接。Singleton模式由于使用静态成员存储类实例，所以可能会造成资源无法及时释放，带来问题。

五、 Singleton模式在实际系统中的实现

下面这段Singleton代码演示了负载均衡对象。在负载均衡模型中，有多台服务器可提供服务，任务分配器随机挑选一台服务器提供服务，以确保任务均衡（实际情况比这个复杂的多）。这里，任务分配实例只能有一个，负责挑选服务器并分配任务。

class LoadBalancer
    {
        // Fields
        private static LoadBalancer _balancer;
        private readonly ArrayList _servers = new ArrayList();
        private readonly Random _random = new Random();

        // Constructors (protected)
        protected LoadBalancer()
        {
            // List of available servers
            _servers.Add("ServerI");
            _servers.Add("ServerII");
            _servers.Add("ServerIII");
            _servers.Add("ServerIV");
            _servers.Add("ServerV");
        }

        // Methods
        public static LoadBalancer GetLoadBalancer()
        {
            // Support multithreaded applications through
            // "Double checked locking" pattern which avoids
            // locking every time the method is invoked
            if (_balancer == null)
            {
                // Only one thread can obtain a mutex
                var mutex = new Mutex();
                mutex.WaitOne();

                if (_balancer == null)
                    _balancer = new LoadBalancer();

                mutex.Close();
            }
            return _balancer;
        }

        // Properties
        public string Server
        {
            get
            {
                // Simple, but effective random load balancer
                int r = _random.Next(_servers.Count);
                return _servers[r].ToString();
            }
        }
    }

class Program
    {
        static void Main()
        {
            LoadBalancer b1 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
            LoadBalancer b2 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
            LoadBalancer b3 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
            LoadBalancer b4 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();

            // Same instance?
            if ((b1 == b2) && (b2 == b3) && (b3 == b4))
                Console.WriteLine("Same instance");

            // Do the load balancing
            Console.WriteLine(b1.Server);
            Console.WriteLine(b2.Server);
            Console.WriteLine(b3.Server);
            Console.WriteLine(b4.Server);
        }
    }

六、 C#中的Singleton模式

C#的独特语言特性决定了C#拥有实现Singleton模式的独特方法。这里不再赘述原因，给出几个结果：

方法一：

下面是利用.NET Framework平台优势实现Singleton模式的代码：

sealed class Singleton
    {
        private Singleton()
        {
            throw new NotImplementedException();
        }

        public static readonly Singleton Instance = new Singleton();
    }

这使得代码减少了许多，同时也解决了线程问题带来的性能上损失。那么它又是怎样工作的呢？

注意到，Singleton类被声明为sealed，以此保证它自己不会被继承，其次没有了Instance的方法，将原来_instance成员变量变成public readonly，并在声明时被初始化。通过这些改变，我们确实得到了Singleton的模式，原因是在JIT的处理过程中，如果类中的static属性被任何方法使用时，.NET Framework将对这个属性进行初始化，于是在初始化Instance属性的同时Singleton类实例得以创建和装载。而私有的构造函数和readonly(只读)保证了Singleton不会被再次实例化，这正是Singleton设计模式的意图。

不过这也带来了一些问题，比如无法继承，实例在程序一运行就被初始化，无法实现延迟初始化等。

方法二：

既然方法一存在问题，我们还有其它办法。

public sealed class Singleton
    {
        Singleton()
        {
        }

        public static Singleton GetInstance()
        {
            return Nested.Instance;
        }

        class Nested
        {
            // Explicit static constructor to tell C# compiler
            // not to mark type as beforefieldinit
            static Nested()
            {
            }

            internal static readonly Singleton Instance = new Singleton();
        }
    }

这实现了延迟初始化，并具有很多优势，当然也存在一些缺点。详细内容请访问：《Implementing the Singleton Pattern in C#》。文章包含五种Singleton实现，就模式、线程、效率、延迟初始化等很多方面进行了详细论述。