单件模式(Singleton Pattern)

一、单例（Singleton）模式

单例模式的特点：

单例类只能有一个实例。
单例类必须自己创建自己的唯一实例。
单例类必须给所有其它对象提供这一实例。

单例模式应用：

每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，避免两个打印作业同时输出到打印机。
一个具有自动编号主键的表可以有多个用户同时使用，但数据库中只能有一个地方分配下一个主键编号。否则会出现主键重复。

二、 Singleton模式的结构：

Singleton模式包含的角色只有一个，就是Singleton。Singleton拥有一个私有构造函数，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。（关于线程问题以及C#所特有的Singleton将在后面详细论述）。

三、程序举例：

该程序演示了Singleton的结构，本身不具有任何实际价值。

1 // Singleton pattern -- Structural example
2 using System;
3
4 // "Singleton"
5 class Singleton
6 {
7   // Fields
8   private static Singleton instance;
9
10   // Constructor
11   protected Singleton() {}
12
13   // Methods
14   public static Singleton Instance()
15   {
16     // Uses "Lazy initialization"
17     if( instance == null )
18       instance = new Singleton();
19
20     return instance;
21   }
22 }
23
24 /**//// <summary>
25 /// Client test
26 /// </summary>
27 public class Client
28 {
29   public static void Main()
30   {
31     // Constructor is protected -- cannot use new
32     Singleton s1 = Singleton.Instance();
33     Singleton s2 = Singleton.Instance();
34
35     if( s1 == s2 )
36       Console.WriteLine( "The same instance" );
37   }
38 }

四、在什么情形下使用单例模式：

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。反过来，如果一个类可以有几个实例共存，就不要使用单例模式。

注意：

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。

五、 Singleton模式在实际系统中的实现

下面这段Singleton代码演示了负载均衡对象。在负载均衡模型中，有多台服务器可提供服务，任务分配器随机挑选一台服务器提供服务，以确保任务均衡（实际情况比这个复杂的多）。这里，任务分配实例只能有一个，负责挑选服务器并分配任务。

代码

1 // Singleton pattern -- Real World example
2
3 using System;
4 using System.Collections;
5 using System.Threading;
6
7 // "Singleton"
8 class LoadBalancer
9 {
10   // Fields
11   private static LoadBalancer balancer;
12   private ArrayList servers = new ArrayList();
13   private Random random = new Random();
14
15   // Constructors (protected)
16   protected LoadBalancer()
17   {
18     // List of available servers
19     servers.Add( "ServerI" );
20     servers.Add( "ServerII" );
21     servers.Add( "ServerIII" );
22     servers.Add( "ServerIV" );
23     servers.Add( "ServerV" );
24   }
25
26   // Methods
27   public static LoadBalancer GetLoadBalancer()
28   {
29     // Support multithreaded applications through
30     // "Double checked locking" pattern which avoids
31     // locking every time the method is invoked
32     if( balancer == null )
33     {
34       // Only one thread can obtain a mutex
35       Mutex mutex = new Mutex();
36       mutex.WaitOne();
37
38       if( balancer == null )
39         balancer = new LoadBalancer();
40
41       mutex.Close();
42     }
43     return balancer;
44   }
45
46   // Properties
47   public string Server
48   {
49     get
50     {
51       // Simple, but effective random load balancer
52       int r = random.Next( servers.Count );
53       return servers[ r ].ToString();
54     }
55   }
56 }
57
58 /**//// <summary>
59 /// SingletonApp test
60 /// </summary>
61 ///
62 public class SingletonApp
63 {
64   public static void Main( string[] args )
65   {
66     LoadBalancer b1 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
67     LoadBalancer b2 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
68     LoadBalancer b3 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
69     LoadBalancer b4 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
70
71     // Same instance?
72     if( (b1 == b2) && (b2 == b3) && (b3 == b4) )
73       Console.WriteLine( "Same instance" );
74
75     // Do the load balancing
76     Console.WriteLine( b1.Server );
77     Console.WriteLine( b2.Server );
78     Console.WriteLine( b3.Server );
79     Console.WriteLine( b4.Server );
80   }
81 }

六、 C#中的Singleton模式

C#的独特语言特性决定了C#拥有实现Singleton模式的独特方法。这里不再赘述原因，给出几个结果：

方法一：

下面是利用.NET Framework平台优势实现Singleton模式的代码：

1 sealed class Singleton
2 {
3 private Singleton();
4 public static readonly Singleton Instance=new Singleton();
5 }

这使得代码减少了许多，同时也解决了线程问题带来的性能上损失。那么它又是怎样工作的呢？

注意到，Singleton类被声明为sealed，以此保证它自己不会被继承，其次没有了Instance的方法，将原来_instance成员变量变成public readonly，并在声明时被初始化。通过这些改变，我们确实得到了Singleton的模式，原因是在JIT的处理过程中，如果类中的static属性被任何方法使用时，.NET Framework将对这个属性进行初始化，于是在初始化Instance属性的同时Singleton类实例得以创建和装载。而私有的构造函数和 readonly(只读)保证了Singleton不会被再次实例化，这正是Singleton设计模式的意图。

不过这也带来了一些问题，比如无法继承，实例在程序一运行就被初始化，无法实现延迟初始化等。

详细情况可以参考微软MSDN文章：《Exploring the Singleton Design Pattern》

方法二：

既然方法一存在问题，我们还有其它办法。

代码

1 public sealed class Singleton
2 {
3   Singleton()
4   {
5   }
6
7   public static Singleton GetInstance()
8   {
9     return Nested.instance;
10   }
11
12   class Nested
13   {
14     // Explicit static constructor to tell C# compiler
15     // not to mark type as beforefieldinit
16     static Nested()
17     {
18     }
19
20     internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
21   }
22 }

这实现了延迟初始化，并具有很多优势，当然也存在一些缺点。详细内容请访问：《Implementing the Singleton Pattern in C#》。文章包含五种Singleton实现，就模式、线程、效率、延迟初始化等很多方面进行了详细论述。