设计模式---单例模式

前言

单例也是被嚼烂了的设计模式之一，但是这一模式在实际中确实使用非常广泛，今天，使用多个版本的单例模式实现，来讲一下实现单例需要注意的一些地方

版本1

使用静态字段，使用单例方法（属性）进行获取，第一次访问时进行初始化，以后直接返回

public sealed class Singleton
{
    // 私有构造函数，禁止外部访问
    private Singleton() { }

    // 静态实例字段
    private static Singleton _instance;

    // 静态实例方法
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if (_instance == null)
                _instance = new Singleton();

            return _instance;
        }
    }
}

版本2

OK，单例方法的设计需要考虑多线程调用，所以线程同步是必须考虑的，否则可能就不是真的“单例”了

public sealed class Singleton
{    
    // 私有构造函数，禁止外部访问
    private Singleton() { }

    // 静态实例字段
    private static volatile Singleton _instance;
    private static readonly object syncRoot = new object();

    // 静态实例方法
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            lock (syncRoot)
            {
                if (_instance == null)
                    _instance = new Singleton();

                return _instance;
            }
        }
    }
}

其实在实际使用中，这个版本已经OK了，但是线程同步还可以做一点小小的优化，于是

版本3

public sealed class Singleton
{
    // 私有构造函数，禁止外部访问
    private Singleton() { }

    // 静态实例字段
    private static volatile Singleton _instance;
    private static readonly object syncRoot = new object();

    // 静态实例方法
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if (_instance == null)
            {
                lock (syncRoot)
                {
                    if (_instance == null)
                        _instance = new Singleton();
                }
            }
            return _instance;
        }
    }
}

OK，现在这个版本已经完美了，可以使用了，而且线程同步进行了优化，不用每一次调用都进行lock操作，但是等等，很多人还有另一种风格，就是在静态字段中提供内联初始化或者默认初始化，然后让属性或单例方法直接返回该静态字段。因为使用静态字段的初始化语法，其实可以保证线程安全（CLR是这么处理的），所以不用我们自己去编写线程同步代码

版本4

public sealed class Singleton
{
    // 私有构造函数，禁止外部访问
    private Singleton()
    {
        Console.WriteLine("Singleton Constructed");
    }

    // 静态实例字段
    private static readonly Singleton _instance = new Singleton();

    // 静态实例方法
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            return _instance;
        }
    }
}

OK，现在不用在获取实例的方法（属性）中写构造表达式了，更不用自己写线程同步的代码了，但是现在有一个问题，那就是字段的内联初始化的初始化时间是提前的，而且是不确定的，因为没有提供默认静态构造函数的话，静态字段的内联初始化会生成beforeInit标记，字段的初始化会在使用类型以前随机寻找一个时间来调用，这可以适度优化

版本5

public sealed class Singleton
{
    // 私有构造函数，禁止外部访问
    private Singleton()
    {
        Console.WriteLine("Singleton Constructed");
    }

    // 默认静态构造函数
    static Singleton() { }

    // 静态实例字段
    private static readonly Singleton _instance = new Singleton();

    // 静态实例方法
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            return _instance;
        }
    }
}

看到区别了么？现在只是加了一个静态构造函数，为了防止内联过早的进行调用，现在不会生出fieldBeforeInit信息，所以会到调用之前才进行初始化。但是关于调用的时机，是不是依然可以优化，优化到真正调用时才进行初始化呢？好了，请看下一个版本

版本6

public class Singleton
{
    // 私有构造函数，禁止外部访问
    private Singleton()
    {
        Console.WriteLine("Singleton Constructed");
    }

    public static Singleton Instance
    {
        get { return NestedObject.NestedInstance; }
    }

    private class NestedObject
    {
        static NestedObject() { }

        public static readonly Singleton NestedInstance = new Singleton();
    }
}

这个版本使用内嵌的私有类作为一个容器来维持单例对象，使用静态初始化的方式并且支持延迟初始化，非常聪明。那么是否到此为止呢？其实对于静态初始化的延迟执行，.NET提供了非常方便的Lazy类，我们何不拿来一用，这样我们就不用自己编写内部类了

版本7

public class Singleton
{
    private static Lazy<Singleton> _instance
        = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());

    // 私有构造函数，禁止外部访问
    private Singleton()
    {
        Console.WriteLine("Singleton Constructed");
    }

    public static Singleton Instance
    {
        get { return _instance.Value; }
    }
}

总结

大家对单例模式的说法一向都是简约不简单，所以此模式虽然已被嚼烂，但它依然是作为程序员的必修课之一，这里面考察的主要是

类的修饰符，一般建议使用 sealed，密封类，不允许继承
类的构造函数，一般建议private，不允许外部访问
类的执行时机，根据实际需求判断，是否饿汉式初始化或者惰性初始化
类的初始化线程安全的考虑，必须考虑多线程访问时，构造仅执行一次

实践中，可用的方式包括，版本3（单例方法初始化，加双检查锁定，延迟初始化）、版本4、5（静态初始化，非延迟初始化）、版本6、7（静态初始化，延迟实例化），其实都是可以使用的，具体选择哪个没有标准的，根据实际应用场景来选择吧