单例模式C#

首先来明确一个问题，那就是在某些情况下，有些对象，我们只需要一个就可以了，

比如，一台计算机上可以连好几个打印机，但是这个计算机上的打印程序只能有一个，

这里就可以通过单例模式来避免两个打印作业同时输出到打印机中，

即在整个的打印过程中我只有一个打印程序的实例。

简单说来，单例模式（也叫单件模式）的作用就是保证在整个应用程序的生命周期中，

任何一个时刻，单例类的实例都只存在一个（当然也可以不存在）。

下面来看单例模式的结构图（图太简单了）

image

从上面的类图中可以看出，在单例类中有一个构造函数 Singleton ，

但是这个构造函数却是私有的（前面是“ - ”符号），

然后在里面还公开了一个 GetInstance（）方法，

通过上面的类图不难看出单例模式的特点，从而也可以给出单例模式的定义

单例模式保证一个类仅有一个实例，同时这个类还必须提供一个访问该类的全局访问点。

先来将 Singleton 写出来再说

Singleton 类

namespace Singleton
{
    public class Singleton
    {
        //定义一个私有的静态全局变量来保存该类的唯一实例
        private static Singleton singleton;

        /// <summary>
        /// 构造函数必须是私有的
        /// 这样在外部便无法使用 new 来创建该类的实例
        /// </summary>
        private Singleton()
        {
        }

       /// <summary>
        /// 定义一个全局访问点
        /// 设置为静态方法
        /// 则在类的外部便无需实例化就可以调用该方法
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static Singleton GetInstance()
        {
            //这里可以保证只实例化一次
            //即在第一次调用时实例化
            //以后调用便不会再实例化
            if (singleton == null)
            {
                singleton = new Singleton();
            }
            return singleton;
        }
    }
}

客户端代码

using System;

namespace SingletonTest
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Singleton.Singleton singletonOne =
                Singleton.Singleton.GetInstance();
            Singleton.Singleton singletonTwo =
                Singleton.Singleton.GetInstance();

            if (singletonOne.Equals(singletonTwo))
            {
                Console.WriteLine("singletonOne 和 singletonTwo 代表的是同一个实例");
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("singletonOne 和 singletonTwo 代表的是不同一个实例");
            }

            Console.ReadKey();
        }
    }
}

运行结果为

image

从上面的结果可以看出来，尽管我两次访问了 GetInstance（），但是我访问的只是同一个实例，

换句话来说，上面的代码中，由于构造函数被设置为 private 了，

所以您无法再在 Singleton 类的外部使用 new 来实例化一个实例，您只能通过访问 GetInstance（）来访问 Singleton 类，

GetInstance（）通过如下方式保证该 Singleton 只存在一个实例：

首先这个 Singleton 类会在在第一次调用 GetInstance（）时创建一个实例，并将这个实例的引用封装在自身类中，

然后以后调用 GetInstance（）时就会判断这个 Singleton 是否存在一个实例了，如果存在，则不会再创建实例。

而是调用以前生成的类的实例，这样下来，整个应用程序中便就只存在一个实例了。

从这里再来总结单例模式的特点：

首先，单例模式使类在程序生命周期的任何时刻都只有一个实例，

然后，单例的构造函数是私有的，外部程序如果想要访问这个单例类的话，

必须通过 GetInstance（）来请求（注意是请求）得到这个单例类的实例。

有的时候，总是容易把全局变量和单例模式给弄混了，下面就剖析一下全局变量和单例模式相比的缺点

首先，全局变量呢就是对一个对象的静态引用，全局变量确实可以提供单例模式实现的全局访问这个功能，

但是，它并不能保证您的应用程序中只有一个实例，同时，在编码规范中，也明确指出，

应该要少用全局变量，因为过多的使用全局变量，会造成代码难读，

还有就是全局变量并不能实现继承（虽然单例模式在继承上也不能很好的处理，但是还是可以实现继承的）

而单例模式的话，其在类中保存了它的唯一实例，这个类，它可以保证只能创建一个实例，

同时，它还提供了一个访问该唯一实例的全局访问点。

上面呢，差不多就将单例模式的核心给介绍完了，

或许，您会觉得单例模式就这么个东西啊，不就是保证只有一个实例嘛，也太简单了,

如果您真这么想的话，那您就错了，因为要保证在整个应用程序生命周期中保证只有一个实例不是那么容易的，

下面就来看一种情况（这里先假设我的应用程序是多线程应用程序），同时还是以前面的 Demo 来做为说明，

如果在一开始调用 GetInstance（）时，是由两个线程同时调用的（这种情况是很常见的），注意是同时，

（或者是一个线程进入 if 判断语句后但还没有实例化 Singleton 时，第二个线程到达，此时 singleton 还是为 null）

这样的话，两个线程均会进入 GetInstance（），而后由于是第一次调用 GetInstance（），

所以存储在 Singleton 中的静态变量 singleton 为 null ，这样的话，就会让两个线程均通过 if 语句的条件判断，

然后调用 new Singleton（）了，

        public static Singleton GetInstance()
        {
            if (singleton == null)
            {
                singleton = new Singleton();
            }
            return singleton;
        }
这样的话，问题就出来了，因为有两个线程，所以会创建两个实例，

很显然，这便违法了单例模式的初衷了，

那么如何解决上面出现的这个问题（即多线程下使用单例模式时有可能会创建多个实例这一现象）呢？

其实，这个是很好解决的，

您可以这样思考这个问题：

由于上面出现的问题中涉及到多个线程同时访问这个 GetInstance（），

那么您可以先将一个线程锁定，然后等这个线程完成以后，再让其他的线程访问 GetInstance（）中的 if 段语句，

比如，有两个线程同时到达

如果 singleton ！= null 的话，那么上面提到的问题是不会存在的，因为已经存在这个实例了，这样的话，

所有的线程都无法进入 if 语句块，

也就是所有的线程都无法调用语句 new Singleton（）了，

这样还是可以保证应用程序生命周期中的实例只存在一个，

但是如果此时的 singleton == null 的话，

那么意味着这两个线程都是可以进入这个 if 语句块的，

那么就有可能出现上面出现的单例模式中有多个实例的问题，

此时，我可以让一个线程先进入 if 语句块，然后我在外面对这个 if 语句块加锁，

对第二个线程呢，由于 if 语句进行了加锁处理，所以这个进程就无法进入 if 语句块而处于阻塞状态，

当进入了 if 语句块的线程完成 new  Singleton（）后，这个线程便会退出 if 语句块，

此时，第二个线程就从阻塞状态中恢复，即就可以访问 if 语句块了，但是由于前面的那个线程已近创建了 Singleton 的实例，

所以 singleton != null ，此时，第二个线程便无法通过 if 语句的判断条件了，

即无法进入 if 语句块了，这样便保证了整个生命周期中只存在一个实例，

也就是只有第一个线程创建了 Singleton 实例，第二个线程则无法创建实例。

下面就来重新改进前面 Demo 中的 Singleton 类，使其在多线程的环境下也可以实现单例模式的功能。

namespace Singleton
{
    public class Singleton
    {
        //定义一个私有的静态全局变量来保存该类的唯一实例
        private static Singleton singleton;

        //定义一个只读静态对象
        //且这个对象是在程序运行时创建的
        private static readonly object syncObject = new object();

        /// <summary>
        /// 构造函数必须是私有的
        /// 这样在外部便无法使用 new 来创建该类的实例
        /// </summary>
       private Singleton()
        {

        }

       /// <summary>
        /// 定义一个全局访问点
        /// 设置为静态方法
        /// 则在类的外部便无需实例化就可以调用该方法
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static Singleton GetInstance()
        {
            //这里可以保证只实例化一次
            //即在第一次调用时实例化
            //以后调用便不会再实例化 

            //第一重 singleton == null
            if (singleton == null)
            {
                lock (syncObject)
                {

                            //第二重 singleton == null

                    if (singleton == null)
                    {
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
    }
}

上面的就是改进后的代码，可以看到在类中有定义了一个静态的只读对象  syncObject，

这里需要说明的是，为何还要创建一个 syncObject 静态只读对象呢？

由于提供给 lock 关键字的参数必须为基于引用类型的对象，该对象用来定义锁的范围，

所以这个引用类型的对象总不能为 null 吧，而一开始的时候，singleton 为 null ，所以是无法实现加锁的，

所以必须要再创建一个对象即 syncObject 来定义加锁的范围。

还有要解释一下的就是在 GetInstance（）中，我为什么要在 if 语句中使用两次判断 singleton == null ，

这里涉及到一个名词 Double-Check Locking ，也就是双重检查锁定，

为何要使用双重检查锁定呢？

考虑这样一种情况，就是有两个线程同时到达，即同时调用 GetInstance（），

此时由于 singleton == null ，所以很明显，两个线程都可以通过第一重的 singleton == null ，

进入第一重 if 语句后，由于存在锁机制，所以会有一个线程进入 lock 语句并进入第二重 singleton == null ，

而另外的一个线程则会在 lock 语句的外面等待。

而当第一个线程执行完 new  Singleton（）语句后，便会退出锁定区域，此时，第二个线程便可以进入 lock 语句块，

此时，如果没有第二重 singleton == null 的话，那么第二个线程还是可以调用 new  Singleton（）语句，

这样第二个线程也会创建一个 Singleton 实例，这样也还是违背了单例模式的初衷的，

所以这里必须要使用双重检查锁定。

细心的朋友一定会发现，如果我去掉第一重 singleton == null ，程序还是可以在多线程下完好的运行的，

考虑在没有第一重 singleton == null 的情况下，

当有两个线程同时到达，此时，由于 lock 机制的存在，第一个线程会进入 lock 语句块，并且可以顺利执行 new Singleton（），

当第一个线程退出 lock 语句块时， singleton 这个静态变量已不为 null 了，所以当第二个线程进入 lock 时，

还是会被第二重 singleton == null 挡在外面，而无法执行 new Singleton（），

所以在没有第一重 singleton == null 的情况下，也是可以实现单例模式的？那么为什么需要第一重 singleton == null 呢？

这里就涉及一个性能问题了，因为对于单例模式的话，new Singleton（）只需要执行一次就 OK 了，

而如果没有第一重 singleton == null 的话，每一次有线程进入 GetInstance（）时，均会执行锁定操作来实现线程同步，

这是非常耗费性能的，而如果我加上第一重 singleton == null 的话，

那么就只有在第一次，也就是 singleton ==null 成立时的情况下执行一次锁定以实现线程同步，

而以后的话，便只要直接返回 Singleton 实例就 OK 了而根本无需再进入 lock 语句块了，这样就可以解决由线程同步带来的性能问题了。

好，关于多线程下单例模式的实现的介绍就到这里了，但是，关于单例模式的介绍还没完。

下面将要介绍的是懒汉式单例和饿汉式单例

懒汉式单例

何为懒汉式单例呢，可以这样理解，单例模式呢，其在整个应用程序的生命周期中只存在一个实例，

懒汉式呢，就是这个单例类的这个唯一实例是在第一次使用 GetInstance（）时实例化的，

如果您不调用 GetInstance（）的话，这个实例是不会存在的，即为 null

形象点说呢，就是你不去动它的话，它自己是不会实例化的，所以可以称之为懒汉。

其实呢，我前面在介绍单例模式的这几个 Demo 中都是使用的懒汉式单例，

看下面的 GetInstance（）方法就明白了：

        public static Singleton GetInstance()
        {
            if (singleton == null)
            {
                lock (syncObject)
                {

                    if (singleton == null)
                    {
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }

从上面的这个 GetInstance（）中可以看出这个单例类的唯一实例是在第一次调用 GetInstance（）时实例化的，

所以此为懒汉式单例。

饿汉式单例

上面介绍了饿汉式单例，到这里来理解懒汉式单例的话，就容易多了，懒汉式单例由于人懒，

所以其自己是不会主动实例化单例类的唯一实例的，而饿汉式的话，则刚好相反，

其由于肚子饿了，所以到处找东西吃，人也变得主动了很多，所以根本就不需要别人来催他实例化单例类的为一实例，

其自己就会主动实例化单例类的这个唯一类。

在 C# 中，可以用特殊的方式实现饿汉式单例，即使用静态初始化来完成饿汉式单例模式

下面就来看一看饿汉式单例类

namespace Singleton
{
    public sealed class Singleton
    {
        private static readonly Singleton singleton = new Singleton();

        private Singleton()
        {
        }

        public static Singleton GetInstance()
        {
            return singleton;
        }
    }
}

要先在这里提一下的是使用静态初始化的话，无需显示地编写线程安全代码，

C# 与 CLR 会自动解决前面提到的懒汉式单例类时出现的多线程同步问题。

上面的饿汉式单例类中可以看到，当整个类被加载的时候，就会自行初始化 singleton 这个静态只读变量。

而非在第一次调用 GetInstance（）时再来实例化单例类的唯一实例，所以这就是一种饿汉式的单例类。

好，到这里，就真正的把单例模式介绍完了，在此呢再总结一下单例类需要注意的几点：

一、单例模式是用来实现在整个程序中只有一个实例的。

二、单例类的构造函数必须为私有，同时单例类必须提供一个全局访问点。

三、单例模式在多线程下的同步问题和性能问题的解决。

四、懒汉式和饿汉式单例类。

五、C# 中使用静态初始化实现饿汉式单例类。

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