c#单例模式（Singleton）的6种实现

1.1.1 摘要

 在我们日常的工作中经常需要在应用程序中保持一个唯一的实例，如：io处理，数据库操作等，由于这些对象都要占用重要的系统资源，所以我们必须限制这些实例的创建或始终使用一个公用的实例，这就是我们今天要介绍的——单例模式（singleton）。

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单件模式（singleton）：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。

1.1.2 正文

图1单例模式（singleton）结构图

单例模式（singleton）是几个创建模式中最对立的一个，它的主要特点不是根据用户程序调用生成一个新的实例，而是控制某个类型的实例唯一性，通过上图我们知道它包含的角色只有一个，就是singleton，它拥有一个私有构造函数，这确保用户无法通过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。

图2单例模式（singleton）逻辑模型

接下来我们将介绍6中不同的单例模式（singleton）的实现方式。这些实现方式都有以下的共同点：

 1.有一个私有的无参构造函数，这可以防止其他类实例化它，而且单例类也不应该被继承，如果单例类允许继承那么每个子类都可以创建实例，这就违背了singleton模式“唯一实例”的初衷。

2.单例类被定义为sealed,就像前面提到的该类不应该被继承，所以为了保险起见可以把该类定义成不允许派生，但没有要求一定要这样定义。

3.一个静态的变量用来保存单实例的引用。

4.一个公有的静态方法用来获取单实例的引用，如果实例为null即创建一个。

版本一线程不安全

/// <summary>
/// a simple singleton class implements.
/// </summary>
public sealed class singleton
{
  private static singleton _instance = null;

  /// <summary>
  /// prevents a default instance of the
  /// <see cref="singleton"/> class from being created.
  /// </summary>
  private singleton()
  {
  }

  /// <summary>
  /// gets the instance.
  /// </summary>
  public static singleton instance
  {
    get { return _instance ?? (_instance = new singleton()); }
  }
}

 以上的实现方式适用于单线程环境，因为在多线程的环境下有可能得到singleton类的多个实例。假如同时有两个线程去判断

（null == _singleton），并且得到的结果为真，那么两个线程都会创建类singleton的实例，这样就违背了singleton模式“唯一实例”的初衷。

 版本二线程安全

/// <summary>
/// a thread-safe singleton class.
/// </summary>
public sealed class singleton
{
  private static singleton _instance = null;
  private static readonly object synobject = new object();

  singleton()
  {
  }

  /// <summary>
  /// gets the instance.
  /// </summary>
  public static singleton instance
  {
    get
    {
      // syn operation.
      lock (synobject)
      {
        return _instance ?? (_instance = new singleton());
      }
    }
  }
}

以上方式的实现方式是线程安全的，首先我们创建了一个静态只读的进程辅助对象，由于lock是确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不能进入临界区（同步操作）。如果其他线程试图进入锁定的代码，则它将一直等待，直到该对象被释放。从而确保在多线程下不会创建多个对象实例了。只是这种实现方式要进行同步操作，这将是影响系统性能的瓶颈和增加了额外的开销。

 double-checked locking

前面讲到的线程安全的实现方式的问题是要进行同步操作，那么我们是否可以降低通过操作的次数呢？其实我们只需在同步操作之前，添加判断该实例是否为null就可以降低通过操作的次数了，这样是经典的double-checked locking方法。

/// <summary>
/// double-checked locking implements a thread-safe singleton class
/// </summary>
public sealed class singleton
{
  private static singleton _instance = null;
  // creates an syn object.
  private static readonly object synobject = new object();

  singleton()
  {
  }

  public static singleton instance
  {
    get
    {
      // double-checked locking
      if (null == _instance)
      {
        lock (synobject)
        {
          if (null == _instance)
          {
            _instance = new singleton();
          }
        }
      }
      return _instance;
    }
  }
}

 在介绍第四种实现方式之前，首先让我们认识什么是，当字段被标记为beforefieldinit类型时，该字段初始化可以发生在任何时候任何字段被引用之前。这句话听起了有点别扭，接下来让我们通过具体的例子介绍。

/// <summary>
/// defines a test class.
/// </summary>
class test
{
  public static string x = echoandreturn("in type initializer");

  public static string echoandreturn(string s)
  {
    console.writeline(s);
    return s;
  }
}

上面我们定义了一个包含静态字段和方法的类test，但要注意我们并没有定义静态的构造函数。

图3 test类的il代码

class test
{
  public static string x = echoandreturn("in type initializer");

  // defines a parameterless constructor.
  static test()
  {
  }

  public static string echoandreturn(string s)
  {
    console.writeline(s);
    return s;
  }
}

上面我们给test类添加一个静态的构造函数。

图4 test类的il代码

通过上面test类的il代码的区别我们发现，当test类包含静态字段，而且没有定义静态的构造函数时，该类会被标记为beforefieldinit。

现在也许有人会问：“被标记为beforefieldinit和没有标记的有什么区别呢”？ok现在让我们通过下面的具体例子看一下它们的区别吧！

class test
{
  public static string x = echoandreturn("in type initializer");

  static test()
  {
  }

  public static string echoandreturn(string s)
  {
    console.writeline(s);
    return s;
  }
}

class driver
{
  public static void main()
  {
    console.writeline("starting main");
    // invoke a static method on test
    test.echoandreturn("echo!");
    console.writeline("after echo");
    console.readline();

    // the output result:
    // starting main
    // in type initializer
    // echo!
    // after echo
  }
}

我相信大家都可以得到答案，如果在调用echoandreturn()方法之前，需要完成静态成员的初始化，所以最终的输出结果如下：

图5输出结果

 接着我们在main()方法中添加string y = test.x，如下：

public static void main()
{
  console.writeline("starting main");
  // invoke a static method on test
  test.echoandreturn("echo!");
  console.writeline("after echo");

  //reference a static field in test
  string y = test.x;
  //use the value just to avoid compiler cleverness
  if (y != null)
  {
    console.writeline("after field access");
  }
  console.readkey();

  // the output result:
  // in type initializer
  // starting main
  // echo!
  // after echo
  // after field access

}

图6 输出结果

通过上面的输出结果，大家可以发现静态字段的初始化跑到了静态方法调用之前，wo难以想象啊！

最后我们在test类中添加一个静态构造函数如下：

class test
{
  public static string x = echoandreturn("in type initializer");

  static test()
  {
  }

  public static string echoandreturn(string s)
  {
    console.writeline(s);
    return s;
  }
}

图7 输出结果

理论上，type initializer应该发生在”echo!”之后和”after echo”之前，但这里却出现了不唯一的结果，只有当test类包含静态构造函数时，才能确保type initializer的初始化发生在”echo!”之后和”after echo”之前。

所以说要确保type initializer发生在被字段引用时，我们应该给该类添加静态构造函数。接下来让我们介绍单例模式的静态方式。

 静态初始化

 

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

  // explicit static constructor to tell c# compiler
  // not to mark type as beforefieldinit
  static singleton()
  {
  }

  /// <summary>
  /// prevents a default instance of the
  /// <see cref="singleton"/> class from being created.
  /// </summary>
  private singleton()
  {
  }

  /// <summary>
  /// gets the instance.
  /// </summary>
  public static singleton instance
  {
    get
    {
      return _instance;
    }
  }
}

以上方式实现比之前介绍的方式都要简单，但它确实是多线程环境下，c#实现的singleton的一种方式。由于这种静态初始化的方式是在自己的字段被引用时才会实例化。

 让我们通过il代码来分析静态初始化。

图8静态初始化il代码

首先这里没有beforefieldinit的修饰符，由于我们添加了静态构造函数当静态字段被引用时才进行初始化，因此即便很多线程试图引用_instance，也需要等静态构造函数执行完并把静态成员_instance实例化之后可以使用。

 延迟初始化

/// <summary>
/// delaies initialization.
/// </summary>
public sealed class singleton
{
  private singleton()
  {
  }

  /// <summary>
  /// gets the instance.
  /// </summary>
  public static singleton instance { get { return nested._instance; } }

  private class nested
  {
    // explicit static constructor to tell c# compiler
    // not to mark type as beforefieldinit
    static nested()
    {
    }

    internal static readonly singleton _instance = new singleton();
  }
}

这里我们把初始化工作放到nested类中的一个静态成员来完成，这样就实现了延迟初始化。

 lazy<t> type

/// <summary>
/// .net 4's lazy<t> type
/// </summary>
public sealed class singleton
{
  private static readonly lazy<singleton> lazy =
    new lazy<singleton>(() => new singleton());

  public static singleton instance { get { return lazy.value; } }

  private singleton()
  {
  }
}

 这种方式的简单和性能良好，而且还提供检查是否已经创建实例的属性isvaluecreated。

 具体例子

现在让我们使用单例模式（singleton）实现负载平衡器，首先我们定义一个服务器类，它包含服务器名和ip地址如下：

/// <summary>
/// represents a server machine
/// </summary>
class server
{
  // gets or sets server name
  public string name { get; set; }

  // gets or sets server ip address
  public string ip { get; set; }
}

由于负载平衡器只提供一个对象实例供服务器使用，所以我们使用单例模式（singleton）实现该负载平衡器。

/// <summary>
/// the 'singleton' class
/// </summary>
sealed class loadbalancer
{
  private static readonly loadbalancer _instance =
    new loadbalancer();

  // type-safe generic list of servers
  private list<server> _servers;
  private random _random = new random();

  static loadbalancer()
  {
  }

  // note: constructor is 'private'
  private loadbalancer()
  {
    // load list of available servers
    _servers = new list<server>
      {
       new server{ name = "serveri", ip = "192.168.0.108" },
       new server{ name = "serverii", ip = "192.168.0.109" },
       new server{ name = "serveriii", ip = "192.168.0.110" },
       new server{ name = "serveriv", ip = "192.168.0.111" },
       new server{ name = "serverv", ip = "192.168.0.112" },
      };
  }

  /// <summary>
  /// gets the instance through static initialization.
  /// </summary>
  public static loadbalancer instance
  {
    get { return _instance; }
  }


  // simple, but effective load balancer
  public server nextserver
  {
    get
    {
      int r = _random.next(_servers.count);
      return _servers[r];
    }
  }
}

 上面负载平衡器类loadbalancer我们使用静态初始化方式实现单例模式（singleton）。

static void main()
{
  loadbalancer b1 = loadbalancer.instance;
  b1.gethashcode();
  loadbalancer b2 = loadbalancer.instance;
  loadbalancer b3 = loadbalancer.instance;
  loadbalancer b4 = loadbalancer.instance;

  // confirm these are the same instance
  if (b1 == b2 && b2 == b3 && b3 == b4)
  {
    console.writeline("same instance\n");
  }

  // next, load balance 15 requests for a server
  loadbalancer balancer = loadbalancer.instance;
  for (int i = 0; i < 15; i++)
  {
    string servername = balancer.nextserver.name;
    console.writeline("dispatch request to: " + servername);
  }

  console.readkey();
}

图9 loadbalancer输出结果

 1.1.3 总结

单例模式的优点：

单例模式（singleton）会控制其实例对象的数量，从而确保访问对象的唯一性。

1.实例控制：单例模式防止其它对象对自己的实例化，确保所有的对象都访问一个实例。

2.伸缩性：因为由类自己来控制实例化进程，类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。

 单例模式的缺点：

1.系统开销。虽然这个系统开销看起来很小，但是每次引用这个类实例的时候都要进行实例是否存在的检查。这个问题可以通过静态实例来解决。

2.开发混淆。当使用一个单例模式的对象的时候（特别是定义在类库中的），开发人员必须要记住不能使用new关键字来实例化对象。因为开发者看不到在类库中的源代码，所以当他们发现不能实例化一个类的时候会很惊讶。

3.对象生命周期。单例模式没有提出对象的销毁。在提供内存管理的开发语言（比如，基于.netframework的语言）中，只有单例模式对象自己才能将对象实例销毁，因为只有它拥有对实例的引用。在各种开发语言中，比如c++，其它类可以销毁对象实例，但是这么做将导致单例类内部的指针指向不明。 

单例适用性

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。反之，如果一个类可以有几个实例共存，就不要使用单例模式。

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。

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