使用 C#/.NET Core 实现单体设计模式

本文的概念内容来自深入浅出设计模式一书

由于我在给公司做内培, 所以最近天天写设计模式的文章....

单体模式 Singleton

单体模式的目标就是只创建一个实例.

实际中有很多种对象我们可能只需要它们的一个实例, 例如: 线程池,缓存, 弹出的对话框, 用于保存设置的类, 用于logging的类, 硬件设备驱动对象等等.

一段对话:

A: 如何创建一个对象?

B: new MyObject()

A: 如果想创建另一个对象, 就再次new MyObject()?

B: 是的

A: 所以说我们有某个类, 我们就可以对它实例化很多次?

B: 是的, 但是它必须是public的类额

A: 如果不是public的呢?

B: 如果不是public的, 那么只有同一个包下的类才能对它实例化, 但是仍然可以实例化多次.

A: 嗯, 很有趣, 你只你可以这样做吗?

B: 没见过, 但是语法是没问题的, 存在即合理.

A: 它是什么意思呢?

B: 我想它不能被实例化吧, 因为它的构造函数是private的啊.

A: 那么, 有没有哪个对象可以使用这个private的构造函数呢?

B: 额, 我认为只有MyClass里面的代码可以调用这个构造函数, 但是感觉那没什么用啊.

A: 为什么没用呢?

B: 因为对类进行实例化, 就是想要用它的实例, 而这样做的话, 别的类也无法对它进行实例化啊. 这是个鸡和蛋的问题: 我可以使用MyClass里面的构造函数, 但是我无法实例化这个对象, 因为其他的类无法使用 "new MyClass()".

A: 你着确实是一种观点, 那么下面代码是什么意思呢?

B: MyClass有一个静态方法, 我们可以这样调用静态方法: MyClass.getInstance();

A: 为什么使用MyClass, 而不是某个对象的名?

B: 因为getInstance()是静态方法; 也就是说, 它是一个类方法, 你需要使用类名来调用方法.

A: 非常有趣, 那么我把实例化代码放里面呢?

B: 确实可以有这种操作...

A: 那么, 现在你认为有第二种方法来实例化对象吗?

B: MyClass.getInstance();

A: 那么你现在能写出只允许创造一个MyClass实例的代码了吗?

B: 应该行.

经典单体模式的实现

首先需要有个静态成员变量保留着实例的引用.

然后构造函数必须是私有的.

getInstance()方法可以该类进行实例化, 并且返回该实例.

另外, 该类也可以有其他方法.

里面最重要的一部分代码:

如果该实例引用为null, 那么创建一个实例, 并把这个实例赋給类的那个成员变量. 这里要注意, 如果我们永远不需要这个类的实例, 那么这个类永远也不会被实例化, 这叫做懒初始化.

如果实例引用不是null, 那么就说明之前已经创建过该类的实例了, 那么就返回之前创建的实例就行了.

一道巧克力工厂锅炉的题

先看这个类:

开始的时候, 锅炉是空的, 所以也没有煮沸.

fill()方法(填充), 填充锅炉的时候, 锅炉必须是空的, 一旦填满了, 那么empty就改为false, 表示填满了. 刚填满肯定不是煮沸状态, 所以boiled也是false.

drain()方法(抽取), 只有锅炉是满的并且煮沸之后才能抽取巧克力液体, 抽取完了, 锅炉就又空了 empty改为true.

boil()方法(煮), 煮混合液体, 要求锅炉的前提状态必须是满的 empty为false, 并且还没煮沸 boiled为false. 一旦煮沸了, 就把boiled改成true.

这个工序很好, 但是必须保证只有一个锅炉, 那么该怎么做? 请写出代码.

单体模式定义

单体模式保证一个类只有一个实例, 并提供一个全局访问该实例的方法.

类图:

其他问题

上面巧克力锅炉那道题你可能写好了, 但是可能会出现这个问题:

锅炉可能在里面有液体的情况下又进行了fill填充动作. 这是怎么回事?

是不是其他线程引起的这个问题?

我们可能有两个线程都在执行这段代码:

那么两个线程调用时是否有重叠, 代码执行是否有交错?  请看下图:

处理多线程问题

为了解决这个多线程的问题问题, 可已使用synchronized方法:

(synchronized是java里的关键字, C#的请参考下面我写的代码)

使用synchronized关键字以后, 每个线程必须等到轮到它的时候才能进入方法. 这样两个线程就不可能同时进入该方法了.

但是这种方法开销很大, 这有时会成为一个问题. 而且可能比你想的更糟糕:

只有第一次执行该方法的时候synchronized才起作用, 一旦我们设定好了成员变量那个引用到具体的实例, 以后就不需要synchronized这个方法了, 除了第一次, 以后这就是额外的开销.

还能改进多线程吗

1. 如果性能不是那么重要, 就继续使用synchronized吧. 但是要记住使用synchronized之后运行速度可能会差100倍(JVM).

2. 那就不如早点把实例给创建出来, 而不是懒创建.

例如:

使用静态的成员引用, 这样类在加载的时候就把实例创建出来了(保证在任何线程访问之前就会创建出来).

3. 使用"双重检查锁"来减少对sync的使用.

这就是首先检查实例是否被创建了, 如果没有那么进入sync块. 第一创建实例的时候时sync的, 在块里面, 再检查一次实例是否为null, 然后创建实例.

volatile关键字会保证被单体实例化的时候多线程会正确的处理uniqueInstance变量.

所以如果性能是问题, 就可以使用这个方法.

其他问题

Q: 如果我创建一个类, 里面都是静态方法和静态变量, 那么它的效果和单体模式不是一样的吗?

A: 是的, 如果你类没有其他依赖并且初始化并不复杂的话.

Q: 可以继承单体模式吗?

A: 简单的回答就是: No.

Q: 为什么单体模式比全局变量好?

A: 全局变量会污染命名空间, 当然了单体模式写不好也很烂.

总结

C# 实现

ChocolateBoiler:

namespace SingletonPattern
{
    public class ChocolateBoiler
    {
        public bool Empty { get; private set; }
        public bool Boiled { get; private set; }
 
        private static ChocolateBoiler _uniqueInstance;
 
        private ChocolateBoiler()
        {
            Empty = true;
            Boiled = false;
        }
 
        public static ChocolateBoiler GetInstance()
        {
            return _uniqueInstance ?? (_uniqueInstance = new ChocolateBoiler());
        }
 
        public void Fill()
        {
            if (Empty)
            {
                Empty = false;
                Boiled = false;
            }
        }
 
        public void Drain()
        {
            if (!Empty && Boiled)
            {
                Empty = true;
            }
        }
 
        public void Boil()
        {
            if (!Empty && !Boiled)
            {
                Boiled = true;
            }
        }
    }
}

SynchronizedChocolateBoiler:

using System.Runtime.CompilerServices;
 
namespace SingletonPattern
{
    public class SynchronizedChocolateBoiler
    {
        public bool Empty { get; private set; }
        public bool Boiled { get; private set; }
 
        private static SynchronizedChocolateBoiler _uniqueInstance;
 
        private SynchronizedChocolateBoiler()
        {
            Empty = true;
            Boiled = false;
        }
 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
        public static SynchronizedChocolateBoiler GetInstance()
        {
            return _uniqueInstance ?? (_uniqueInstance = new SynchronizedChocolateBoiler());
        }
 
        public void Fill()
        {
            if (Empty)
            {
                Empty = false;
                Boiled = false;
            }
        }
 
        public void Drain()
        {
            if (!Empty && Boiled)
            {
                Empty = true;
            }
        }
 
        public void Boil()
        {
            if (!Empty && !Boiled)
            {
                Boiled = true;
            }
        }
    }
}

DoubleCheckChocolateBoiler:

namespace SingletonPattern
{
    public class DoubleCheckChocolateBoiler
    {
        public bool Empty { get; private set; }
        public bool Boiled { get; private set; }
 
        private static volatile DoubleCheckChocolateBoiler _uniqueInstance;
        private static readonly object LockHelper = new object();
 
        private DoubleCheckChocolateBoiler()
        {
            Empty = true;
            Boiled = false;
        }
 
        public static DoubleCheckChocolateBoiler GetInstance()
        {
            if (_uniqueInstance == null)
            {
                lock (LockHelper)
                {
                    if (_uniqueInstance == null)
                    {
                        _uniqueInstance = new DoubleCheckChocolateBoiler();
                    }
                }
            }
            return _uniqueInstance;
        }
 
        public void Fill()
        {
            if (Empty)
            {
                Empty = false;
                Boiled = false;
            }
        }
 
        public void Drain()
        {
            if (!Empty && Boiled)
            {
                Empty = true;
            }
        }
 
        public void Boil()
        {
            if (!Empty && !Boiled)
            {
                Boiled = true;
            }
        }
    }
}

由于这里面提到了多线程, 所以我会另写一篇关于C#/.NET Core异步和多线程的文章(也会是书上的内容, 这本书叫 C# 7 in a Nutshell, 我认为这是最好的C#/.NET Core参考书, 可是没有中文的, 所以我就是做一下翻译和精简)....

这个系列的代码我放在这里了: https://github.com/solenovex/Head-First-Design-Patterns-in-CSharp