C#設(shè)計(jì)模式(1)——單例模式

一、引言

最近在設(shè)計(jì)模式的一些內(nèi)容，主要的參考書籍是《Head First 設(shè)計(jì)模式》，同時(shí)在學(xué)習(xí)過程中也查看了很多博客園中關(guān)于設(shè)計(jì)模式的一些文章的，在這里記錄下我的一些學(xué)習(xí)筆記，一是為了幫助我更深入地理解設(shè)計(jì)模式，二同時(shí)可以給一些初學(xué)設(shè)計(jì)模式的朋友一些參考。首先我介紹的是設(shè)計(jì)模式中比較簡(jiǎn)單的一個(gè)模式——單例模式（因?yàn)檫@里只牽涉到一個(gè)類）

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二、單例模式的介紹

說到單例模式,大家第一反應(yīng)應(yīng)該就是——什么是單例模式？，從“單例”字面意思上理解為——一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，所以單例模式也就是保證一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例的一種實(shí)現(xiàn)方法罷了(設(shè)計(jì)模式其實(shí)就是幫助我們解決實(shí)際開發(fā)過程中的方法, 該方法是為了降低對(duì)象之間的耦合度,然而解決方法有很多種,所以前人就總結(jié)了一些常用的解決方法為書籍,從而把這本書就稱為設(shè)計(jì)模式)，下面給出單例模式的一個(gè)官方定義：確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例,并提供一個(gè)全局訪問點(diǎn)。為了幫助大家更好地理解單例模式,大家可以結(jié)合下面的類圖來進(jìn)行理解,以及后面也會(huì)剖析單例模式的實(shí)現(xiàn)思路:

三、為什么會(huì)有單例模式

看完單例模式的介紹,自然大家都會(huì)有這樣一個(gè)疑問——為什么要有單例模式的？它在什么情況下使用的？從單例模式的定義中我們可以看出——單例模式的使用自然是當(dāng)我們的系統(tǒng)中某個(gè)對(duì)象只需要一個(gè)實(shí)例的情況，例如:操作系統(tǒng)中只能有一個(gè)任務(wù)管理器,操作文件時(shí),同一時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)實(shí)例對(duì)其操作等,既然現(xiàn)實(shí)生活中有這樣的應(yīng)用場(chǎng)景,自然在軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域必須有這樣的解決方案了(因?yàn)檐浖O(shè)計(jì)也是現(xiàn)實(shí)生活中的抽象)，所以也就有了單例模式了。

四、剖析單例模式的實(shí)現(xiàn)思路

了解完了一些關(guān)于單例模式的基本概念之后，下面就為大家剖析單例模式的實(shí)現(xiàn)思路的，因?yàn)樵谖易约簩W(xué)習(xí)單例模式的時(shí)候，咋一看單例模式的實(shí)現(xiàn)代碼確實(shí)很簡(jiǎn)單，也很容易看懂，但是我還是覺得它很陌生（這個(gè)可能是看的少的，或者自己在寫代碼中也用的少的緣故），而且心里總會(huì)這樣一個(gè)疑問——為什么前人會(huì)這樣去實(shí)現(xiàn)單例模式的呢？他們是如何思考的呢？后面經(jīng)過自己的琢磨也就慢慢理清楚單例模式的實(shí)現(xiàn)思路了，并且此時(shí)也不再覺得單例模式模式的，下面就分享我的一個(gè)剖析過程的：

我們從單例模式的概念（確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例,并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)）入手，可以把概念進(jìn)行拆分為兩部分：（1）確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例；（2）提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)；下面通過采用兩人對(duì)話的方式來幫助大家更快掌握分析思路：

菜鳥：怎樣確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例了？

老鳥：那就讓我?guī)湍惴治鱿拢銊?chuàng)建類的實(shí)例會(huì)想到用什么方式來創(chuàng)建的呢？

新手：用new關(guān)鍵字啊，只要new下就創(chuàng)建了該類的一個(gè)實(shí)例了，之后就可以使用該類的一些屬性和實(shí)例方法了

老鳥：那你想過為什么可以使用new關(guān)鍵字來創(chuàng)建類的實(shí)例嗎？

菜鳥：這個(gè)還有條件的嗎？........., 哦，我想起來了，如果類定義私有的構(gòu)造函數(shù)就不能在外界通過new創(chuàng)建實(shí)例了（注：有些初學(xué)者就會(huì)問，有時(shí)候我并沒有在類中定義構(gòu)造函數(shù)為什么也可以使用new來創(chuàng)建對(duì)象，那是因?yàn)榫幾g器在背后做了手腳了，當(dāng)編譯器看到我們類中沒有定義構(gòu)造函數(shù)，此時(shí)編譯器會(huì)幫我們生成一個(gè)公有的無參構(gòu)造函數(shù)）

老鳥：不錯(cuò)，回答的很對(duì)，這樣你的疑惑就得到解答了啊

菜鳥：那我要在哪里創(chuàng)建類的實(shí)例了？

老鳥：你傻啊，當(dāng)然是在類里面創(chuàng)建了（注：這樣定義私有構(gòu)造函數(shù)就是上面的一個(gè)思考過程的，要?jiǎng)?chuàng)建實(shí)例，自然就要有一個(gè)變量來保存該實(shí)例把，所以就有了私有變量的聲明,但是實(shí)現(xiàn)中是定義靜態(tài)私有變量,朋友們有沒有想過——這里為什么定義為靜態(tài)的呢?對(duì)于這個(gè)疑問的解釋為：每個(gè)線程都有自己的線程棧，定義為靜態(tài)主要是為了在多線程確保類有一個(gè)實(shí)例）

菜鳥：哦，現(xiàn)在完全明白了，但是我還有另一個(gè)疑問——現(xiàn)在類實(shí)例創(chuàng)建在類內(nèi)部，那外界如何獲得該的一個(gè)實(shí)例來使用它了？

老鳥：這個(gè)，你可以定義一個(gè)公有方法或者屬性來把該類的實(shí)例公開出去了（注：這樣就有了公有方法的定義了，該方法就是提供方法問類的全局訪問點(diǎn)）

通過上面的分析，相信大家也就很容易寫出單例模式的實(shí)現(xiàn)代碼了，下面就看看具體的實(shí)現(xiàn)代碼（看完之后你會(huì)驚訝道：真是這樣的?。?/p>

/// <summary>
    /// 單例模式的實(shí)現(xiàn)
    /// </summary>
    public class Singleton
    {
        // 定義一個(gè)靜態(tài)變量來保存類的實(shí)例
        private static Singleton uniqueInstance;
        // 定義私有構(gòu)造函數(shù)，使外界不能創(chuàng)建該類實(shí)例
        private Singleton()
        {
        }
        /// <summary>
        /// 定義公有方法提供一個(gè)全局訪問點(diǎn),同時(shí)你也可以定義公有屬性來提供全局訪問點(diǎn)
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static Singleton GetInstance()
        {
            // 如果類的實(shí)例不存在則創(chuàng)建，否則直接返回
            if (uniqueInstance == null)
            {
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

上面的單例模式的實(shí)現(xiàn)在單線程下確實(shí)是完美的,然而在多線程的情況下會(huì)得到多個(gè)Singleton實(shí)例,因?yàn)樵趦蓚€(gè)線程同時(shí)運(yùn)行GetInstance方法時(shí)，此時(shí)兩個(gè)線程判斷(uniqueInstance ==null)這個(gè)條件時(shí)都返回真，此時(shí)兩個(gè)線程就都會(huì)創(chuàng)建Singleton的實(shí)例，這樣就違背了我們單例模式初衷了，既然上面的實(shí)現(xiàn)會(huì)運(yùn)行多個(gè)線程執(zhí)行，那我們對(duì)于多線程的解決方案自然就是使GetInstance方法在同一時(shí)間只運(yùn)行一個(gè)線程運(yùn)行就好了，也就是我們線程同步的問題了(對(duì)于線程同步大家也可以參考我線程同步的文章),具體的解決多線程的代碼如下:

/// <summary>
    /// 單例模式的實(shí)現(xiàn)
    /// </summary>
    public class Singleton
    {
        // 定義一個(gè)靜態(tài)變量來保存類的實(shí)例
        private static Singleton uniqueInstance;
        // 定義一個(gè)標(biāo)識(shí)確保線程同步
        private static readonly object locker = new object();
        // 定義私有構(gòu)造函數(shù)，使外界不能創(chuàng)建該類實(shí)例
        private Singleton()
        {
        }
        /// <summary>
        /// 定義公有方法提供一個(gè)全局訪問點(diǎn),同時(shí)你也可以定義公有屬性來提供全局訪問點(diǎn)
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static Singleton GetInstance()
        {
            // 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程運(yùn)行到這里時(shí)，此時(shí)會(huì)對(duì)locker對(duì)象 "加鎖"，
            // 當(dāng)?shù)诙€(gè)線程運(yùn)行該方法時(shí)，首先檢測(cè)到locker對(duì)象為"加鎖"狀態(tài)，該線程就會(huì)掛起等待第一個(gè)線程解鎖
            // lock語句運(yùn)行完之后（即線程運(yùn)行完之后）會(huì)對(duì)該對(duì)象"解鎖"
            lock (locker)
            {
                // 如果類的實(shí)例不存在則創(chuàng)建，否則直接返回
                if (uniqueInstance == null)
                {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

上面這種解決方案確實(shí)可以解決多線程的問題,但是上面代碼對(duì)于每個(gè)線程都會(huì)對(duì)線程輔助對(duì)象locker加鎖之后再判斷實(shí)例是否存在，對(duì)于這個(gè)操作完全沒有必要的，因?yàn)楫?dāng)?shù)谝粋€(gè)線程創(chuàng)建了該類的實(shí)例之后，后面的線程此時(shí)只需要直接判斷（uniqueInstance==null）為假，此時(shí)完全沒必要對(duì)線程輔助對(duì)象加鎖之后再去判斷，所以上面的實(shí)現(xiàn)方式增加了額外的開銷，損失了性能，為了改進(jìn)上面實(shí)現(xiàn)方式的缺陷，我們只需要在lock語句前面加一句（uniqueInstance==null）的判斷就可以避免鎖所增加的額外開銷，這種實(shí)現(xiàn)方式我們就叫它 “雙重鎖定”，下面具體看看實(shí)現(xiàn)代碼的：

/// <summary>
    /// 單例模式的實(shí)現(xiàn)
    /// </summary>
    public class Singleton
    {
        // 定義一個(gè)靜態(tài)變量來保存類的實(shí)例
        private static Singleton uniqueInstance;
        // 定義一個(gè)標(biāo)識(shí)確保線程同步
        private static readonly object locker = new object();
        // 定義私有構(gòu)造函數(shù)，使外界不能創(chuàng)建該類實(shí)例
        private Singleton()
        {
        }
        /// <summary>
        /// 定義公有方法提供一個(gè)全局訪問點(diǎn),同時(shí)你也可以定義公有屬性來提供全局訪問點(diǎn)
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public static Singleton GetInstance()
        {
            // 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程運(yùn)行到這里時(shí)，此時(shí)會(huì)對(duì)locker對(duì)象 "加鎖"，
            // 當(dāng)?shù)诙€(gè)線程運(yùn)行該方法時(shí)，首先檢測(cè)到locker對(duì)象為"加鎖"狀態(tài)，該線程就會(huì)掛起等待第一個(gè)線程解鎖
            // lock語句運(yùn)行完之后（即線程運(yùn)行完之后）會(huì)對(duì)該對(duì)象"解鎖"
            // 雙重鎖定只需要一句判斷就可以了
            if (uniqueInstance == null)
            {
                lock (locker)
                {
                    // 如果類的實(shí)例不存在則創(chuàng)建，否則直接返回
                    if (uniqueInstance == null)
                    {
                        uniqueInstance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

五、C#中實(shí)現(xiàn)了單例模式的類

理解完了單例模式之后，菜鳥又接著問了：.NET FrameWork類庫中有沒有單例模式的實(shí)現(xiàn)呢？

經(jīng)過查看，.NET類庫中確實(shí)存在單例模式的實(shí)現(xiàn)類，不過該類不是公開的，下面就具體看看該類的一個(gè)實(shí)現(xiàn)的(該類具體存在于System.dll程序集，命名空間為System,大家可以用反射工具Reflector去查看源碼的):

// 該類不是一個(gè)公開類
    // 但是該類的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用了單例模式
    internal sealed class SR
    {
        private static SR loader;
        internal SR()
        {
        }
        // 主要是因?yàn)樵擃惒皇枪?，所以這個(gè)全部訪問點(diǎn)也定義為私有的了
        // 但是思想還是用到了單例模式的思想的
        private static SR GetLoader()
        {
            if (loader == null)
            {
                SR sr = new SR();
                Interlocked.CompareExchange<SR>(ref loader, sr, null);
            }
            return loader;
        }
        // 這個(gè)公有方法中調(diào)用了GetLoader方法的
        public static object GetObject(string name)
        {
            SR loader = GetLoader();
            if (loader == null)
            {
                return null;
            }
            return loader.resources.GetObject(name, Culture);
        }
    }

六、總結(jié)

到這里，設(shè)計(jì)模式的單例模式就介紹完了，希望通過本文章大家可以對(duì)單例模式有一個(gè)更深的理解，并且希望之前沒接觸過單例模式或覺得單例模式陌生的朋友看完之后會(huì)驚嘆：原來如此！

當(dāng)前文章：C#設(shè)計(jì)模式(1)——單例模式
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