C#設(shè)計模式(1)——單例模式

一、引言

最近在設(shè)計模式的一些內(nèi)容，主要的參考書籍是《Head First 設(shè)計模式》，同時在學(xué)習(xí)過程中也查看了很多博客園中關(guān)于設(shè)計模式的一些文章的，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)計模式，二同時可以給一些初學(xué)設(shè)計模式的朋友一些參考。首先我介紹的是設(shè)計模式中比較簡單的一個模式——單例模式（因為這里只牽涉到一個類）

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——一個類只有一個實例，所以單例模式也就是保證一個類只有一個實例的一種實現(xiàn)方法罷了(設(shè)計模式其實就是幫助我們解決實際開發(fā)過程中的方法, 該方法是為了降低對象之間的耦合度,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)計模式)，下面給出單例模式的一個官方定義：確保一個類只有一個實例,并提供一個全局訪問點(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,以及后面也會剖析單例模式的實現(xiàn)思路:

三、為什么會有單例模式

看完單例模式的介紹,自然大家都會有這樣一個疑問——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)中某個對象只需要一個實例的情況，例如:操作系統(tǒng)中只能有一個任務(wù)管理器,操作文件時,同一時間內(nèi)只允許一個實例對其操作等,既然現(xiàn)實生活中有這樣的應(yīng)用場景,自然在軟件設(shè)計領(lǐng)域必須有這樣的解決方案了(因為軟件設(shè)計也是現(xiàn)實生活中的抽象)，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現(xiàn)思路的，因為在我自己學(xué)習(xí)單例模式的時候，咋一看單例模式的實現(xiàn)代碼確實很簡單，也很容易看懂，但是我還是覺得它很陌生（這個可能是看的少的，或者自己在寫代碼中也用的少的緣故），而且心里總會這樣一個疑問——為什么前人會這樣去實現(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現(xiàn)思路了，并且此時也不再覺得單例模式模式的，下面就分享我的一個剖析過程的：

我們從單例模式的概念（確保一個類只有一個實例,并提供一個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）確保一個類只有一個實例；（2）提供一個訪問它的全局訪問點(diǎn)；下面通過采用兩人對話的方式來幫助大家更快掌握分析思路：

菜鳥：怎樣確保一個類只有一個實例了？

老鳥：那就讓我?guī)湍惴治鱿?，你?chuàng)建類的實例會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)建了該類的一個實例了，之后就可以使用該類的一些屬性和實例方法了

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

菜鳥：這個還有條件的嗎？........., 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)建實例了（注：有些初學(xué)者就會問，有時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)建對象，那是因為編譯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)，此時編譯器會幫我們生成一個公有的無參構(gòu)造函數(shù)）

老鳥：不錯，回答的很對，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)就是上面的一個思考過程的，要創(chuàng)建實例，自然就要有一個變量來保存該實例把，所以就有了私有變量的聲明,但是實現(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?對于這個疑問的解釋為：每個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實例）

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

老鳥：這個，你可以定義一個公有方法或者屬性來把該類的實例公開出去了（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現(xiàn)代碼了，下面就看看具體的實現(xiàn)代碼（看完之后你會驚訝道：真是這樣的?。?/p>

/// <summary>
    /// 單例模式的實現(xiàn)
    /// </summary>
    public class Singleton
    {
        // 定義一個靜態(tài)變量來保存類的實例
        private static Singleton uniqueInstance;
        // 定義私有構(gòu)造函數(shù)，使外界不能創(chuàng)建該類實例
        private Singleton()
        {
        }
        /// <summary>
        /// 定義公有方法提供一個全局訪問點(diǎn),同時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現(xiàn)在單線程下確實是完美的,然而在多線程的情況下會得到多個Singleton實例,因為在兩個線程同時運(yùn)行GetInstance方法時，此時兩個線程判斷(uniqueInstance ==null)這個條件時都返回真，此時兩個線程就都會創(chuàng)建Singleton的實例，這樣就違背了我們單例模式初衷了，既然上面的實現(xiàn)會運(yùn)行多個線程執(zhí)行，那我們對于多線程的解決方案自然就是使GetInstance方法在同一時間只運(yùn)行一個線程運(yùn)行就好了，也就是我們線程同步的問題了(對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>
    /// 單例模式的實現(xiàn)
    /// </summary>
    public class Singleton
    {
        // 定義一個靜態(tài)變量來保存類的實例
        private static Singleton uniqueInstance;
        // 定義一個標(biāo)識確保線程同步
        private static readonly object locker = new object();
        // 定義私有構(gòu)造函數(shù)，使外界不能創(chuàng)建該類實例
        private Singleton()
        {
        }
        /// <summary>
        /// 定義公有方法提供一個全局訪問點(diǎn),同時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€線程運(yùn)行到這里時，此時會對locker對象 "加鎖"，
            // 當(dāng)?shù)诙€線程運(yùn)行該方法時，首先檢測到locker對象為"加鎖"狀態(tài)，該線程就會掛起等待第一個線程解鎖
            // lock語句運(yùn)行完之后（即線程運(yùn)行完之后）會對該對象"解鎖"
            lock (locker)
            {
                // 如果類的實例不存在則創(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可以解決多線程的問題,但是上面代碼對于每個線程都會對線程輔助對象locker加鎖之后再判斷實例是否存在，對于這個操作完全沒有必要的，因為當(dāng)?shù)谝粋€線程創(chuàng)建了該類的實例之后，后面的線程此時只需要直接判斷（uniqueInstance==null）為假，此時完全沒必要對線程輔助對象加鎖之后再去判斷，所以上面的實現(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，這種實現(xiàn)方式我們就叫它 “雙重鎖定”，下面具體看看實現(xiàn)代碼的：

/// <summary>
    /// 單例模式的實現(xiàn)
    /// </summary>
    public class Singleton
    {
        // 定義一個靜態(tài)變量來保存類的實例
        private static Singleton uniqueInstance;
        // 定義一個標(biāo)識確保線程同步
        private static readonly object locker = new object();
        // 定義私有構(gòu)造函數(shù)，使外界不能創(chuàng)建該類實例
        private Singleton()
        {
        }
        /// <summary>
        /// 定義公有方法提供一個全局訪問點(diǎn),同時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€線程運(yùn)行到這里時，此時會對locker對象 "加鎖"，
            // 當(dāng)?shù)诙€線程運(yùn)行該方法時，首先檢測到locker對象為"加鎖"狀態(tài)，該線程就會掛起等待第一個線程解鎖
            // lock語句運(yùn)行完之后（即線程運(yùn)行完之后）會對該對象"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現(xiàn)呢？

經(jīng)過查看，.NET類庫中確實存在單例模式的實現(xiàn)類，不過該類不是公開的，下面就具體看看該類的一個實現(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):

// 該類不是一個公開類
    // 但是該類的實現(xiàn)應(yīng)用了單例模式
    internal sealed class SR
    {
        private static SR loader;
        internal SR()
        {
        }
        // 主要是因為該類不是公有，所以這個全部訪問點(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)計模式的單例模式就介紹完了，希望通過本文章大家可以對單例模式有一個更深的理解，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驚嘆：原來如此！