设计模式(创建型模式)——单例模式

1.定义

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。

2.适用性

1)当类只能有一个实例而客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。

2)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。

3.结构

图1 单例模式类图

注:

Singleton:定义一个Instance操作,允许客户访问它的唯一实例。Instance是一个类操作(C#中为静态方法),Singleton负责创建它自己的唯一实例。

4.实现方法

1)经典模式

静态变量uniqueInstance存储唯一实例。公有静态方法GetInstance提供访问SingletonFirst的全局访问点,由于除了GetInstance方法外,类的成员均为私有的,所以GetInstance提供的为唯一访问方式。在GetInstance()方法中,对uniqueInstance是否为null做了判断,因此使得对象只能被实例化一次。

 1 public class SingletonFirst
 2 {
 3       private static SingletonFirst uniqueInstance;
 4       private SingletonFirst() { }
 5 
 6       public static SingletonFirst GetInstance()
 7       {
 8           if(uniqueInstance==null)
 9           {
10               uniqueInstance = new SingletonFirst();
11           }
12           return uniqueInstance;
13       }
14 }

2)使用属性而不是方法

这种实现方式与第一种方式的区别在于客户通过属性获得对象实例。

 1 public class SingletonSecond
 2 {
 3     private static SingletonSecond uniqueInstance;
 4     private SingletonSecond() { }
 5     public static SingletonSecond Instance
 6     {
 7         get
 8         {
 9             if (uniqueInstance == null)
10             {
11                 uniqueInstance = new SingletonSecond();
12             }
13             return uniqueInstance;
14         }
15     }
16 }

3)只能获得一次单例

这种单例模式的实现方式较之前几种有较大的差别,客户不能反复调用Instance属性获得实例;客户要将第一次获得的实例赋给一个变量,之后若要访问实例,则只能通过使用这一变量的间接方式。

 1 public class SingletonThird
 2 {
 3     private static bool instanceFlag = false;
 4     private SingletonThird() { }
 5 
 6     public static SingletonThird Instance
 7     {
 8         get 
 9         {
10             if (!instanceFlag)
11             {
12                 return new SingletonThird();
13             }
14             else
15             {
16                 return null;
17             }
18         }
19     }
20 }

4)支持并发访问

这种单例模式的实现方式与第一种基本一致,只不过在声明uniqueInstanc的同时完成对象的实例化。优点是静态字段在类首次被使用前初始化,可以防止并发访问。

 1 public class SingletonFourth
 2 {
 3         private static readonly SingletonFourth uniqueInstance = new    SingletonFourth();
 4         private SingletonFourth() { }
 5 
 6         public static SingletonFourth GetInstance()
 7         {
 8             return uniqueInstance;
 9         }
10 }

5)使用私有静态构造器

这种方式使用了私有的静态构造器。静态构造器在类第一次被访问前由CLR自动调用,达到防止并发访问的目的。使用静态构造器而不是静态初始化器的好处是:可以在静态构造器中处理异常。

 1 public class SingletonFifth
 2 {
 3         private static readonly SingletonFifth uniqueInstance;
 4         static SingletonFifth() 
 5         {
 6             uniqueInstance = new SingletonFifth();
 7         }
 8 
 9         public static SingletonFifth GetInstance()
10         {
11             return uniqueInstance;
12         }
13 }

6)使用锁

这种方式采用加锁的办法来防止并发访问。缺点就是锁的开销比较大,如果用户对于性能比较关心,那么不建议采用这种方式。也可以考虑其他开销比较小的同步机制。

 1 public class SingletonSixth
 2 {
 3         private static SingletonSixth uniqueInstance;
 4         private static Object lockObj = new object();
 5         private SingletonSixth() { }
 6 
 7         public static SingletonSixth GetInstance()
 8         {
 9             lock (lockObj)
10             {
11                 if (uniqueInstance == null)
12                 {
13                     uniqueInstance = new SingletonSixth();
14                 }
15                 return uniqueInstance;
16             }
17         }
18 }

7)延迟初始化

使用Lazy<T>达到延迟初始化的目的,但这种方式是非线程安全的。

 1 public class SingletonSeventh
 2 {
 3         private static readonly Lazy<SingletonSeventh> lazy =
 4             new Lazy<SingletonSeventh>(() => new SingletonSeventh());
 5         private SingletonSeventh(){}
 6        
 7         public static SingletonSeventh Instance 
 8         {
 9             get
10             {
11                 return lazy.Value;
12             }
13         }
14 }

8)最简洁的方式

这种方法与标准的单例模式结构不符,但这种方式的确实现了单例模式, 符合单例模式的定义:只有一个实例且提供一个全局访问点uniqueInstance静态变量在声明时初始化,同时构造器可访问性为private,确保类不允许在外部实例化uniqueInstance变量的可访问性为public,所以全局的访问点就是uniqueInstance。

1 public class SingletonEighth
2 {
3         public static readonly SingletonEighth uniqueInstance = new SingletonEighth();
4         private SingletonEighth()
5         {
6             //这里执行初始化工作或其他任务
7         }
8 }

5.扩展单例模式:使类可以有几个实例

 1 public class SingletonExpansion
 2 {
 3         private static int count = 0;
 4         private static SingletonExpansion uniqueInstance;
 5         private SingletonExpansion(){}
 6 
 7         public static SingletonExpansion Instance
 8         {
 9             get
10             {
11                 if (count < 2)
12                 {
13                     uniqueInstance = new SingletonExpansion();
14                     count++;
15                     return uniqueInstance;
16                 }
17                 else
18                 {
19                     return uniqueInstance;
20                 }
21             }
22         }
23 }

6 概念辨析

1)使用静态成员与使用单例模式之间的比较:

相同点:

  • 使用静态成员与使用单例模式都可以获得类的唯一实例。
  • 使用静态成员与使用单例模式都可以将数据一次性地加载到内存中,已提高系统运行效率。

不同点:

  • 使用单例模式而不使用静态成员可能会增加代码的复杂度。
  • 单例模式提供了更多的控制机制。可以在构造器中处理数据或执行其他操作;可以控制类的状态,根据类的状态完成适当的操作。
  • 在单例模式中运用接口,使得用户可以扩展程序而不比修改代码,这也符合开放封闭原则(OCP)。

2)一个类只有唯一的实例不一定就运用了单例模式

单例模式的两个要素:

  • 有且仅有一个实例。
  • 必须提供一个全局的访问点。

上述两个条件缺一不可,否则就不是单例模式。

7 实现方式总结

1)实现了延迟初始化的为:SingletonFirst,SingletonSecond,SingletonThird,SingletonSeventh。

延迟初始化的好处:若对象占用资源(时间上创建时间比较长或空间上耗费内存较大)比较大,或程序的执行过程中从未使用到,那么延迟初始化可以避免耗费资源。如果对象并不占用较多的资源那么采用哪种方式都无所谓了。

2)线程安全的:SingletonFourth,SingletonFifth,SingletonSixth。

多线程编程中其他几种实现方法可能会有多个实例。

8 .NET Framework 中的单例模式

1) Microsoft.SqlServer.Server.SmiContextFactory

此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同

源码概要

 1 namespace Microsoft.SqlServer.Server {
 2 
 3 using System;
 4     
 5 using System.Data.Common;
 6     
 7 using System.Data.SqlClient;
 8     
 9 using System.Diagnostics;
10 
11 sealed internal class SmiContextFactory 
12  {
13         
14     public static readonly SmiContextFactory Instance = new SmiContextFactory();
15     //省略一些变量
16     private SmiContextFactory() {
17 
18     //省略了具体实现}
19 
20     //省略其他方法
21 
22     }
23 }

2) sealed internal class SqlConnectionFactory

此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同 

源码概要

 1 namespace System.Data.SqlClient
 2 {
 3     
 4 using System;
 5     
 6 using System.Data.Common;
 7     
 8 //省略其他using 
 9     
10 using Microsoft.SqlServer.Server;
11 sealed internal class SqlConnectionFactory : DbConnectionFactory {
12                 private SqlConnectionFactory() :
13 base(SqlPerformanceCounters.SingletonInstance) {}
14 
15 public static readonly SqlConnectionFactory SingletonInstance =         new SqlConnectionFactory();
16 //省略以下其他代码
17 }

3) sealed internal class SqlPerformanceCounters

此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同

源码概要

 1 namespace System.Data.SqlClient
 2 {
 3     
 4 using System;
 5     
 6 using System.Data.Common;
 7     
 8 //省略其他using语句 
 9     
10 using Microsoft.SqlServer.Server;
11 
12 sealed internal class SqlPerformanceCounters :
13 DbConnectionPoolCounters {
14         
15 private const string CategoryName = ".NET Data Provider for         SqlServer";
16  
17 private const string CategoryHelp = "Counters for                     System.Data.SqlClient";
18  
19         
20 public static readonly SqlPerformanceCounters SingletonInstance         = new SqlPerformanceCounters();
21  
22                 [System.Diagnostics.PerformanceCounterPermissionAttribute
23 (System.Security.Permissions.SecurityAction.Assert,         PermissionAccess=PerformanceCounterPermissionAccess.Write,         MachineName=".", CategoryName=CategoryName)]
24         
25 private SqlPerformanceCounters() : base (CategoryName, CategoryHelp) {
26         }
27    
28 }
29 }

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