单例模式（Singleton Pattern）

概述

Singleton 模式要求一个类有且仅有 一个实例，并且提供了一个全局的访问点。这就提出了一个问题：如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例？客户程序在调用某一个类时， 它是不会考虑这个类是否只能有一个实例等问题的，所以，这应该是类设计者的责任，而不是类使用者的责任。

从另一个角度来说， Singleton 模式其实也是一种职责 型模式。因为我们创建了一个对象，这个对象扮演了独一无二的角色，在这个单独的对象实例中，它集中了它所属类的所有权力，同时它也肩负了行使这种权力的职 责！

意图

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。

模型图

逻辑模型图：

物理模型图：

生活中的例子

美国总统的职位是Singleton ， 美国宪法规定了总统的选举，任期以及继任的顺序。这样，在任何时刻只能由一个现任的总统。无论现任总统的身份为何，其头衔" 美利坚合众国总统" 是访问这个职位的人的一个全局的访 问点。

五种实现

1 ．简单实现

 

 1 public   sealed   class  Singleton
 2 {
 3      static  Singleton instance = null ;
 4
 5     Singleton()
 6      {
 7     }
 8
 9      public   static  Singleton Instance
10      {
11          get
12          {
13              if  (instance == null )
14              {
15                 instance  =   new  Singleton();
16             }
17              return  instance;
18         }
19     }
20 }

这种方式的实现对于线程来说并不是安全的，因为在多 线程的环境下有可能得到Singleton 类的多个实例。如果同时有两个线程去判断（instance == null ），并且得到的结果为真，这时两个线程都会创建类Singleton 的实例，这样就违背了Singleton 模 式的原则。实际上在上述代码中，有可能在计算出表达式的值之前，对象实例已经被创建，但是内存模型并不能保证对象实例在第二个线程创建之前被发现。

该实现方式主要有两个优点：

l         由于实例是在 Instance 属性方法内部创建的，因此类可以使用附加功能（例如，对子类进行实例化），即使它可能引入不想要的依赖性。

l         直到对象要求产生一个 实例才执行实例化；这种方法称为“惰性实例化”。惰性实例化避免了在应用程序启动时实例化不必要的 singleton 。

2 ．安全的线程

 1 public   sealed   class  Singleton
 2 {
 3      static  Singleton instance = null ;
 4      static   readonly   object  padlock  =   new   object ();
 5
 6     Singleton()
 7      {
 8     }
 9
10      public   static  Singleton Instance
11      {
12          get
13          {
14              lock  (padlock)
15              {
16                  if  (instance == null )
17                  {
18                     instance  =   new  Singleton();
19                 }
20                  return  instance;
21             }
22         }
23     }
24 }
25
26

这种方式的实现对于线程来说是安全的。我们首先创建了一个进程 辅助对象，线程在进入时先对辅助对象加锁然后再检测对象是否被创建，这样可以确保只有一个实例被创建，因为在同一个时刻加了锁的那部分程序只有一个线程可 以进入。这种情况下，对象实例由最先进入的那个线程创建，后来的线程在进入时（ instence == null ）为假，不会再去创建对 象实例了。但是这种实现方式增加了额外的开销，损失了性能。

3 ．双重锁定

 1 public   sealed   class  Singleton
 2 {
 3      static  Singleton instance = null ;
 4      static   readonly   object  padlock  =   new   object ();
 5
 6     Singleton()
 7      {
 8     }
 9
10      public   static  Singleton Instance
11      {
12          get
13          {
14              if  (instance == null )
15              {
16                  lock  (padlock)
17                  {
18                      if  (instance == null )
19                      {
20                         instance  =   new  Singleton();
21                     }
22                 }
23             }
24              return  instance;
25         }
26     }
27 }
28

这种实现方式对多线程来说是安全的，同时线程不是每次都加锁， 只有判断对象实例没有被创建时它才加锁，有了我们上面第一部分的里面的分析，我们知道，加锁后还得再进行对象是否已被创建的判断。它 解决了线程并发问题， 同时避免在每个 Instance 属性方法的调用中都出 现独占锁定。它还允许您将实例化延迟到第一次访问对象时发生。实际上，应用程序很少需要这种类型的实现。大多数情况下我们会用静态初始化。 这种方式仍然有很多缺 点：无法实现延迟初始化。

4 ．静态初始化

 1 public   sealed   class  Singleton
 2 {
 3      static   readonly  Singleton instance = new  Singleton();
 4
 5      static  Singleton()
 6      {
 7     }
 8
 9     Singleton()
10      {
11     }
12
13      public   static  Singleton Instance
14      {
15          get
16          {
17              return  instance;
18         }
19     }
20 }
21

看到上面这段富有戏剧性的代码，我们可能会产生怀疑，这还 是 Singleton 模式吗？ 在此实现中，将在 第一次引用类的任何成员时创建实例。公共语言运行库负责处理变量初始化。该类标记为 sealed 以 阻止发生派生，而派生可能会增加实例。此外，变量标记为 readonly ，这意味 着只能在静态初始化期间（此处显示的示例）或在类构造函数中分配变量。

该实现与前面的示例 类似，不同之处在于它依赖公共语言运行库来初始化变量。它仍然可以用来解决 Singleton 模式试图解决的两个基本 问题：全局访问和实例化控制。公共静态属性为访问实例提供了一个全局访问点。此外，由于构造函数是私有的，因此不能在类本身以外实例化 Singleton 类；因此，变量引用的是可以在系统中存在的唯一的实例。

由于 Singleton 实例被私有静态成员变量引用，因此在类首次被对 Instance 属性的调用所引用之前，不会 发生实例化。

这种方法唯一的潜在 缺点是，您对实例化机制的控制权较少。在 Design Patterns 形式中，您能够在实例化之前使用非默认的 构造函数或执行其他任务。由于在此解决方案中由 .NET Framework 负 责执行初始化，因此您没有这些选项。在大多数情况下，静态初始化是在 .NET 中 实现 Singleton 的首选方法。

5 ．延迟初始化

 1 public   sealed   class  Singleton
 2 {
 3     Singleton()
 4      {
 5     }
 6
 7      public   static  Singleton Instance
 8      {
 9          get
10          {
11              return  Nested.instance;
12         }
13     }
14     
15      class  Nested
16      {
17          static  Nested()
18          {
19         }
20
21          internal   static   readonly  Singleton instance  =   new  Singleton();
22     }
23 }
24

这里，初始化工作 有Nested 类的一个静态成员来完成，这样就实现了延迟初始化，并具有很多的优势，是值得推荐的 一种实

现方式。

实现要点

l        Singleton 模式是限制而不是改进类的创建。

l         Singleton 类中的实例构造器可以设 置为 Protected 以允许子类派生。

l         Singleton 模式一般不要支持 Icloneable 接口，因为这可能导致 多个对象实例，与 Singleton 模式的初衷违背。

l         Singleton 模式一般不要支持序列 化，这也有可能导致多个对象实例，这也与 Singleton 模式的初衷违背。

l         Singleton 只考虑了对象创建的管 理，没有考虑到销毁的管理，就支持垃圾回收的平台和对象的开销来讲，我们一般没必要对其销毁进行特殊的管理。

l         理解和扩展 Singleton 模式的核心是“如何控制用户使用 new 对一个类的构造器的任意调用”。

l         可以很简单的修改一个 Singleton ，使它有少数几个实 例，这样做是允许的而且是有意义的 。

优点

l         实例控制： Singleton 会阻止其他对象实例化其自己的 Singleton 对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例

l         灵活性：因为类控制了实例化过程，所以类可以更加灵活修改实例化过程

缺点

l         开销：虽然数量很少， 但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题，上面 的五种实现方式中已经说过了。

l          可能的开发混淆： 使用 singleton 对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住 自己不能使用 new 关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

l         对象的生存期： Singleton 不能解决删除单个对象的问题。在提供内 存管理的语言中（例如基于 .NET Framework 的语言），只有 Singleton 类能够导致实例被取消分 配，因为它包含对该实例的私有引用。在某些语言中（如 C++ ），其他类可以删除
对象实 例，但这样会导致 Singleton 类 中出现悬浮引用。

适用性

l         当类只能有一个实例而且客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。

l         当这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的，并且客户应该无需更改代码就能使用一个扩展的实例时。

应用场景

l         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。
（摘自吕震宇的 C# 设计模式（7 ）－Singleton Pattern ）

l         PC 机中可能有几个串口，但 只能有一个 COM1 口的实例。

l         系统中只能有一个窗口管 理器。

l         .NET Remoting 中服务器激活对象中的 Sigleton 对象，确保所有的客户 程序的请求都只有一个实例来处理。

完整示例

这是一个简单的计数器例子，四个线程同时进行计数。

 1 using  System;
 2 using  System.Threading;
 3
 4 namespace  SigletonPattern.SigletonCounter
 5 {
 6      /**/ ///   <summary>
 7      ///  功能： 简单计数器的单件模式
 8      ///  编 写：Terrylee
 9      ///  日 期：2005年12月06日
10      ///   </summary>
11      public   class  CountSigleton
12      {
13          /**/ /// 存储唯一的实例
14          static  CountSigleton uniCounter  =   new  CountSigleton();  
15    
16          /**/ /// 存储计数值
17          private   int  totNum  =   0 ;  
18    
19          private  CountSigleton() 
20    
21          { 
22              /**/ /// 线程延迟2000毫秒
23             Thread.Sleep( 2000 );
24         }  
25    
26          static   public  CountSigleton Instance() 
27    
28          { 
29    
30              return  uniCounter; 
31    
32         }  
33         
34          /**/ /// 计数加1
35          public   void  Add()
36          { 
37             totNum  ++ ;
38         }   
39         
40          /**/ /// 获得当前计数值
41          public   int  GetCounter()
42          { 
43              return  totNum;
44         }  
45
46     }
47 }
48

 1 using  System;
 2 using  System.Threading;
 3 using  System.Text;
 4
 5 namespace  SigletonPattern.SigletonCounter
 6 {
 7      /**/ ///   <summary>
 8      ///  功能：创建一个多线程计数的类
 9      ///  编写：Terrylee
10      ///  日期：2005年12月06日
11      ///   </summary>
12      public   class  CountMutilThread
13      {
14          public  CountMutilThread()
15          {
16             
17         }
18
19          /**/ ///   <summary>
20          ///  线程工作
21          ///   </summary>
22          public   static   void  DoSomeWork()
23          {
24              /**/ /// 构造显示字符串
25              string  results  =   "" ;
26
27              /**/ /// 创建一个Sigleton实例
28             CountSigleton MyCounter  =  CountSigleton.Instance();
29
30              /**/ /// 循环调用四次
31              for ( int  i = 1 ;i < 5 ;i ++ )
32              {
33                  /**/ /// 开始计数
34                 MyCounter.Add();
35                 
36                 results  += " 线程 " ;
37                 results  +=  Thread.CurrentThread.Name.ToString()  +   " ——〉 " ;
38                 results  +=   " 当 前的计数： " ;
39                 results  +=  MyCounter.GetCounter().ToString();
40                 results  +=   " /n " ;
41
42                 Console.WriteLine(results);
43                 
44                  /**/ /// 清空显示字符串
45                 results  =   "" ;
46             }
47         }
48
49          public   void  StartMain()
50          {
51
52             Thread thread0  =  Thread.CurrentThread; 
53    
54             thread0.Name  =   " Thread 0 " ; 
55    
56             Thread thread1  = new  Thread( new  ThreadStart(DoSomeWork)); 
57    
58             thread1.Name  =   " Thread 1 " ; 
59    
60             Thread thread2  = new  Thread( new  ThreadStart(DoSomeWork)); 
61    
62             thread2.Name  =   " Thread 2 " ; 
63    
64             Thread thread3  = new  Thread( new  ThreadStart(DoSomeWork)); 
65    
66             thread3.Name  =   " Thread 3 " ; 
67    
68             thread1.Start(); 
69    
70             thread2.Start(); 
71    
72             thread3.Start(); 
73             
74              /**/ /// 线程0也只执行和其他线程相同的工作
75             DoSomeWork(); 
76         }
77     }
78 }
79

 1 using  System;
 2 using  System.Text;
 3 using  System.Threading;
 4
 5 namespace  SigletonPattern.SigletonCounter
 6 {
 7      /**/ ///   <summary>
 8      ///  功能： 实现多线程计数器的客户端
 9      ///  编 写：Terrylee
10      ///  日 期：2005年12月06日
11      ///   </summary>
12      public   class  CountClient
13      {
14          public   static   void  Main( string [] args)
15          {
16        CountMutilThread cmt  =   new  CountMutilThread();
17
18             cmt.StartMain();
19
20             Console.ReadLine();
21         }
22     }
23 }
24

总结

Singleton 设计模式是一个非常有用 的机制，可用于在面向对象的应用程序中提供单个访问点。文中通过五种实现方式的比较和一个完整的示例，完成了对 Singleton 模式的一个总结和探 索。用一句广告词来概括 Singleton 模式就是“简约而不简单”。

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源 码下载：/Files/Terrylee/SigletonPattern.rar

参考文献：

《 C# 计模式》，中国电力出版 社

使用 Microsoft .NET 的企业解决方案模式

《 Implementing the Singleton Pattern in C# 》

MSDN《 Exploring the Singleton Design Pattern 》

吕震宇C# 设计模式（7 ）－Singleton Pattern

C# 的Singleton 设计模式