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）。

 使用频率高

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()); }
  }
}

</div>

 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());
      }
    }
  }
}

</div>

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;
    }
  }
}

</div>

 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;
  }
}

</div>

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;
  }
}

</div>

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      
  }
}

</div>

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

}

</div>

图6 输出结果

通过