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()); }
  }
}

 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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