单例模式

本来我自己写了一篇,就在发布的时候,博客园也不知道怎么抽抽了,尼玛,我写的那么久的东西整个都没有了,就留了一句“什么是单例模式呢”,汝妹!不开森!!!这件事情告诉我,以后要现在Word活着其他编辑器上编辑好再复制到博文,不然就是白费了一腔心血。

以下文章转载自:单例模式(Singleton),例子我自己也写了,但与这篇文章也是差不多一样的。因为上述原因,不想再写一遍了,就转载了这一篇我觉得看起来轻松好理解的文章。

简单说来,单例模式(也叫单件模式)的作用就是保证在整个应用程序的生命周期中,任何一个时刻,单例类的实例都只存在一个(当然也可以不存在)。

下面来看单例模式的结构图(图太简单了)

image

从上面的类图中可以看出,在单例类中有一个构造函数 Singleton ,但是这个构造函数却是私有的(前面是“ - ”符号),然后在里面还公开了一个 GetInstance()方法,

通过上面的类图不难看出单例模式的特点,从而也可以给出单例模式的定义

单例模式保证一个类仅有一个实例,同时这个类还必须提供一个访问该类的全局访问点。

先来将 Singleton 写出来再说

    public class Singleton
    {
        private static Singleton singleton;
          
        private Singleton()
        {
        }

        public static Singleton GetInstance()
        {
            if (singleton == null)
            {
                singleton = new Singleton();
            }
            return singleton;
        }
    }

调用:

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Singleton a = Singleton.GetInstance();
            Singleton b = Singleton.GetInstance();
            if (a.Equals(b))
            {
                System.Console.WriteLine("实例确实相同");
                System.Console.ReadLine();
            }
        }
    }

  运行结果为

从上面的结果可以看出来,尽管我两次访问了 GetInstance(),但是我访问的只是同一个实例,换句话来说,上面的代码中,由于构造函数被设置为 private 了,所以您无法再在 Singleton 类的外部使用 new 来实例化一个实例,您只能通过访问 GetInstance()来访问 Singleton 类,

GetInstance()通过如下方式保证该 Singleton 只存在一个实例:首先这个 Singleton 类会在在第一次调用 GetInstance()时创建一个实例,并将这个实例的引用封装在自身类中,然后以后调用 GetInstance()时就会判断这个 Singleton 是否存在一个实例了,如果存在,则不会再创建实例。而是调用以前生成的类的实例,这样下来,整个应用程序中便就只存在一个实例了。

从这里再来总结单例模式的特点:

首先,单例模式使类在程序生命周期的任何时刻都只有一个实例,

然后,单例的构造函数是私有的,外部程序如果想要访问这个单例类的话,

必须通过 GetInstance()来请求(注意是请求)得到这个单例类的实例。    

                             

有的时候,总是容易把全局变量和单例模式给弄混了,下面就剖析一下全局变量和单例模式相比的缺点

首先,全局变量呢就是对一个对象的静态引用,全局变量确实可以提供单例模式实现的全局访问这个功能,

但是,它并不能保证您的应用程序中只有一个实例,同时,在编码规范中,也明确指出,

应该要少用全局变量,因为过多的使用全局变量,会造成代码难读,

还有就是全局变量并不能实现继承(虽然单例模式在继承上也不能很好的处理,但是还是可以实现继承的)

而单例模式的话,其在类中保存了它的唯一实例,这个类,它可以保证只能创建一个实例,

同时,它还提供了一个访问该唯一实例的全局访问点。

                      

下面来看一种情况(这里先假设我的应用程序是多线程应用程序),同时还是以前面的 Demo 来做为说明,

如果在一开始调用 GetInstance()时,是由两个线程同时调用的(这种情况是很常见的),注意是同时,(或者是一个线程进入 if 判断语句后但还没有实例化 Singleton 时,第二个线程到达,此时 singleton 还是为 null),两个线程均会进入 GetInstance(),而后由于是第一次调用 GetInstance(),存储在 Singleton 中的静态变量 singleton== null ,两个线程均可通过 if 语句的条件判断,会创建两个实例,很显然,这便违法了单例模式的初衷了,

那么如何解决上面出现的这个问题(即多线程下使用单例模式时有可能会创建多个实例这一现象)呢?

其实,这个是很好解决的,

由于上面出现的问题中涉及到多个线程同时访问这个 GetInstance(),那么您可以先将一个线程锁定,然后等这个线程完成以后,再让其他的线程访问 GetInstance()中的 if 段语句,

比如,有两个线程同时到达如果 singleton != null 的话,那么上面提到的问题是不会存在的,因为已经存在这个实例了,所有的线程都无法进入 if 语句块,

也就是所有的线程都无法调用语句 new Singleton()了,这样还是可以保证应用程序生命周期中的实例只存在一个,

但是如果此时的 singleton == null 的话,那么意味着这两个线程都是可以进入这个 if 语句块的,那么就有可能出现上面出现的单例模式中有多个实例的问题,

此时,我可以让一个线程先进入 if 语句块,然后我在外面对这个 if 语句块加锁,对第二个线程呢,由于 if 语句进行了加锁处理,所以这个进程就无法进入 if 语句块而处于阻塞状态,

当进入了 if 语句块的线程完成 new  Singleton()后,这个线程便会退出 if 语句块,此时,第二个线程就从阻塞状态中恢复,即就可以访问 if 语句块了,但是由于前面的那个线程已近创建了 Singleton 的实例,所以 singleton != null ,此时,第二个线程便无法通过 if 语句的判断条件了,即无法进入 if 语句块了,这样便保证了整个生命周期中只存在一个实例,也就是只有第一个线程创建了 Singleton 实例,第二个线程则无法创建实例。

下面就来重新改进前面 Demo 中的 Singleton 类,使其在多线程的环境下也可以实现单例模式的功能。

    public class Singleton
    {
        // 定义一个static的全局变量来保存该类唯一实例
        private static Singleton singleton;

        //该对象在程序运行时创建
        private static readonly object syncObject = new object();

        // private, 确保外部调用时不能用new来创建实例
        private Singleton()
        {
        }

        // 定义一个static的全局访问点,确保外部无需实例化即可调用
        public static Singleton GetInstance()
        {
            // 保证只在第一次调用时实例化一次
            if (singleton == null)
            {
                lock (syncObject)//锁定
                {
                    if (singleton == null)
                    {
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
    }

上面的就是改进后的代码,可以看到在类中有定义了一个静态的只读对象  syncObject,为何还要创建一个 syncObject 静态只读对象呢?

由于提供给 lock 关键字的参数必须为基于引用类型的对象,该对象用来定义锁的范围,所以这个引用类型的对象不能为 null ,而开始的时候,singleton 为 null,无法实现加锁,必须要再创建一个对象即 syncObject 来定义加锁的范围。

为什么要在 if 语句中使用两次判断 singleton == null这里涉及到一个名词 Double-Check Locking ,也就是双重检查锁定,为何要使用双重检查锁定呢

考虑这样一种情况,就是有两个线程同时到达,即同时调用 GetInstance(),此时由于 singleton == null ,所以很明显,两个线程都可以通过第一重的 singleton == null ,进入第一重 if 语句后,由于存在锁机制,所以会有一个线程进入 lock 语句并进入第二重 singleton == null ,而另外的一个线程则会在 lock 语句的外面等待。当第一个线程执行完 new  Singleton()语句后,便会退出锁定区域,此时,第二个线程便可以进入 lock 语句块,此时,如果没有第二重 singleton == null 的话,那么第二个线程还是可以调用 new  Singleton()语句,这样第二个线程也会创建一个 Singleton 实例,这样也还是违背了单例模式的初衷的,所以这里必须要使用双重检查锁定。

细心的朋友一定会发现,如果我去掉第一重 singleton == null ,程序还是可以在多线程下完好的运行的,考虑在没有第一重 singleton == null 的情况下,当有两个线程同时到达,此时,由于 lock 机制的存在,第一个线程会进入 lock 语句块,并且可以顺利执行 new Singleton(),当第一个线程退出 lock 语句块时, singleton 这个静态变量已不为 null 了,所以当第二个线程进入 lock 时,还是会被第二重 singleton == null 挡在外面,而无法执行 new Singleton(),所以在没有第一重 singleton == null 的情况下,也是可以实现单例模式的?那么为什么需要第一重 singleton == null 呢?

这里就涉及一个性能问题了,因为对于单例模式的话,new Singleton()只需要执行一次就 OK 了,而如果没有第一重 singleton == null 的话,每一次有线程进入 GetInstance()时,均会执行锁定操作来实现线程同步,这是非常耗费性能的,而如果我加上第一重 singleton == null 的话,那么就只有在第一次,也就是 singleton ==null 成立时的情况下执行一次锁定以实现线程同步,而以后的话,便只要直接返回 Singleton 实例就 OK 了而根本无需再进入 lock 语句块了,这样就可以解决由线程同步带来的性能问题了。

好,关于多线程下单例模式的实现的介绍就到这里了,但是,关于单例模式的介绍还没完。                

下面将要介绍的是懒汉式单例和饿汉式单例

懒汉式单例

何为懒汉式单例呢,可以这样理解,懒汉式呢,就是这个单例类的这个唯一实例是在第一次使用 GetInstance()时实例化的,如果您不调用 GetInstance()的话,这个实例是不会存在的,即为 null 。形象点说呢,就是你不去动它的话,它自己是不会实例化的,所以可以称之为懒汉。其实呢,我前面在介绍单例模式的这几个 Demo 中都是使用的懒汉式单例,

看下面的 GetInstance()方法就明白了:

public static Singleton GetInstance()
        {
            // 保证只在第一次调用时实例化一次
            if (singleton == null)
            {
                lock (syncObject)//锁定
                {
                    if (singleton == null)
                    {
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }

从上面的这个 GetInstance()中可以看出这个单例类的唯一实例是在第一次调用 GetInstance()时实例化的,所以此为懒汉式单例。         

饿汉式单例

懒汉式单例由于人懒,所以其自己是不会主动实例化单例类的唯一实例的,而饿汉式的话,则刚好相反,其由于肚子饿了,所以到处找东西吃,人也变得主动了很多,所以根本就不需要别人来催他实例化单例类的为一实例,其自己就会主动实例化单例类的这个唯一类。在 C# 中,可以用特殊的方式实现饿汉式单例,即使用静态初始化来完成饿汉式单例模式

        public sealed class Singleton
        {
            private static readonly Singleton singleton = new Singleton();

            private Singleton() { }

            public static Singleton GetInstance() { return singleton; }
        }  

要先在这里提一下的是使用静态初始化的话,无需显示地编写线程安全代码,C# 与 CLR 会自动解决前面提到的懒汉式单例类时出现的多线程同步问题。上面的饿汉式单例类中可以看到,当整个类被加载的时候,就会自行初始化 singleton 这个静态只读变量。而非在第一次调用 GetInstance()时再来实例化单例类的唯一实例,所以这就是一种饿汉式的单例类。

           

好,到这里,就真正的把单例模式介绍完了,在此呢再总结一下单例类需要注意的几点:

一、单例模式是用来实现在整个程序中只有一个实例的。

二、单例类的构造函数必须为私有,同时单例类必须提供一个全局访问点。

三、单例模式在多线程下的同步问题和性能问题的解决。

四、懒汉式和饿汉式单例类。

五、C# 中使用静态初始化实现饿汉式单例类。

原文地址:https://www.cnblogs.com/YunGy/p/5065560.html