介紹

單例模式是軟件工程學(xué)中最富盛名的設(shè)計(jì)模式之一。從本質(zhì)上看，單例模式只允許被其自身實(shí)例化一次，且向外部提供了一個(gè)訪問該實(shí)例的接口。通常來說，單例對(duì)象進(jìn)行實(shí)例化時(shí)一般不帶參數(shù)，因?yàn)槿绻煌膶?shí)例化請(qǐng)求傳遞的參數(shù)不同的話會(huì)導(dǎo)致問題的產(chǎn)生。(若多個(gè)請(qǐng)求都是傳遞的同樣的參數(shù)的話，工廠模式更應(yīng)該被考慮)

C#中實(shí)現(xiàn)單例有很多種方法，本文將按順序介紹非線程安全、完全懶漢式、線程安全和低/高性能集中版本。

在所有的實(shí)現(xiàn)版本中，都有以下幾個(gè)共同點(diǎn)：

• 唯一的、私有的且無參的構(gòu)造函數(shù)，這樣不允許外部類進(jìn)行實(shí)例化；
• 類是密封的，盡管這不是強(qiáng)制的，但是嚴(yán)格來講從上一點(diǎn)來看密封類能有助于JIT的優(yōu)化；
• 一個(gè)靜態(tài)變量應(yīng)該指向類的唯一實(shí)例；
• 一個(gè)公共的靜態(tài)變量用于獲得這個(gè)類的唯一實(shí)例(如果需要,應(yīng)該創(chuàng)建它）；

需要注意的是，本文中所有的例子中都是用一個(gè) public static Instance的變量來訪問單例類實(shí)例，要將其轉(zhuǎn)換成公共函數(shù)是很容易的，但是這樣并不會(huì)帶來效率和線程安全上的提升。

Version 1 - 非線程安全

/// <summary>
/// Bad code！Do not use! 
/// </summary>
public sealed class Singleton
{
 private static Singleton instance = null;
 private Singleton() { }
 public static Singleton Instance
 {
  get
  {
   if (instance == null)
   {
    instance = new Singleton();
   }
   return instance;
  }
 }
}

該版本在多線程下是不安全的，會(huì)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，請(qǐng)不要在生產(chǎn)環(huán)境中使用！

因?yàn)槿绻麅蓚€(gè)線程同時(shí)運(yùn)行到if(instance==null)判斷時(shí)，就會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)實(shí)例，這是違背單例模式的初衷的。實(shí)際上在后面那個(gè)線程進(jìn)行判斷是已經(jīng)生成了一個(gè)實(shí)例，但是對(duì)于不同的線程來說除非進(jìn)行了線程間的通信，否則它是不知道的。

Version 2 - 簡(jiǎn)單的線程安全

public sealed class Singleton2
{
 private static Singleton2 instance = null;
 private static readonly object obj = new object();
 private Singleton2() { }
 public Singleton2 Instance
 {
  get
  {
   lock (obj)
   {
    if (instance == null)
    {
     instance = new Singleton2();
    }
    return instance;
   }
  }
 }
}

該版本是線程安全的。通過對(duì)一個(gè)過線程共享的對(duì)象進(jìn)行加鎖操作，保證了在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程在執(zhí)行l(wèi)ock{}里的代碼。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程在進(jìn)行instance判斷或創(chuàng)建時(shí)，后續(xù)線程必須等待直到前一線程執(zhí)行完畢，因此保證了只有第一個(gè)線程能夠創(chuàng)建instance實(shí)例。

但不幸的是，因?yàn)槊看螌?duì)instance的請(qǐng)求都會(huì)進(jìn)行l(wèi)ock操作，其性能是不佳的。

需要注意的是，這里使用了一個(gè)private static object變量進(jìn)行鎖定，這是因?yàn)楫?dāng)如果對(duì)一個(gè)外部類可以訪問的對(duì)象進(jìn)行鎖定時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能低下甚至死鎖。因此通常來說為了保證線程安全，進(jìn)行加鎖的對(duì)象應(yīng)該是private的。

Version 3 - Double-check locking的線程安全

/// <summary>
/// Bad code ! Do not use!
/// </summary>
public sealed class Singleton3
{
 private static Singleton3 instance = null;
 private static object obj = new object();
 private Singleton3() { }
 public static Singleton3 Instance
 {
  get
  {
   if (instance == null)
   {
    lock (obj)
    {
     if (instance == null)
     {
      instance = new Singleton3();
     }
    }
   }
   return instance;
  }
 }
}

該版本中試圖去避免每次訪問都進(jìn)行加鎖操作并實(shí)現(xiàn)線程安全。然后，這段代碼對(duì)Java不起作用，因Java的內(nèi)存模型不能保證在構(gòu)造函數(shù)一定在其他對(duì)象引用instance之前完成。還有重要的一點(diǎn)，它不如后面的實(shí)現(xiàn)方式。

Version 4 - 不完全懶漢式，但不加鎖的線程安全

public sealed class Singleton4
{
 private static readonly Singleton4 instance = new Singleton4();
 /// <summary>
 /// 顯式的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)用來告訴C#編譯器在其內(nèi)容實(shí)例化之前不要標(biāo)記其類型
 /// </summary>
 static Singleton4() { }
 private Singleton4() { }
 public static Singleton4 Instance
 {
  get
  {
   return instance;
  }
 }
}

這個(gè)版本是的實(shí)現(xiàn)非常的簡(jiǎn)單，但是卻又是線程安全的。C#的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)只有在當(dāng)其類的實(shí)例被創(chuàng)建或者有靜態(tài)成員被引用時(shí)執(zhí)行，在整個(gè)應(yīng)用程序域中只會(huì)被執(zhí)行一次。使用當(dāng)前方式明顯比前面版本中進(jìn)行額外的判斷要快。

當(dāng)然這個(gè)版本也存在一些瑕疵：

不是真正意義上的懶漢模式(需要的時(shí)候才創(chuàng)建實(shí)例)，若單例類還存在其他靜態(tài)成員，當(dāng)其他類第一次引用這些成員時(shí)便會(huì)創(chuàng)建該instance。下個(gè)版本實(shí)現(xiàn)會(huì)修正這個(gè)問題；

只有.NET中才具有beforefieldinit特性，即懶漢式實(shí)現(xiàn)。且在.Net 1.1以前的編譯器不支持，不過這個(gè)現(xiàn)在來看問題不大；

所有版本中，只有這里將instance設(shè)置成了readonly,這不僅保證了代碼的高校且顯得十分短小。

Version 5 - 完全懶漢實(shí)例化

public sealed class Singleton5
{
 private Singleton5() { }
 public static Singleton5 Instance { get { return Nested.instance; } }
 private class Nested
 {
  //Explicit static constructor to tell C# compiler
  //not to mark type as beforefieldinit
  static Nested()
  {
  }
  internal static readonly Singleton5 instance = new Singleton5();
 }
}

該版本看起來稍微復(fù)雜難懂，其實(shí)只是在寫法上實(shí)現(xiàn)了上一版本的瑕疵，通過內(nèi)嵌類的方式先實(shí)現(xiàn)了只有在真正應(yīng)用Instance時(shí)才進(jìn)行實(shí)例化。其性能表現(xiàn)與上一版本無異。

Version 6 - 使用.NET 4 Lazy<T> type 特性

public sealed class Singleton6
{
 private static readonly Lazy<Singleton6> lazy =
   new Lazy<Singleton6>(()=> new Singleton6());
 public static Singleton6 Instance { get { return lazy.Value; } }
 private Singleton6() { }
}

如果你使用的是.NET 4或其以上版本，可以使用System.Lazy<T> type來實(shí)現(xiàn)完全懶漢式。其代碼看起來也很簡(jiǎn)潔且性能表現(xiàn)也很好。

性能 VS 懶漢式

一般情況下，我們并不需要實(shí)現(xiàn)完全懶漢式，除非你的構(gòu)造初始化執(zhí)行了某些費(fèi)時(shí)的工作。因此一般的，我們使用顯式的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)就能夠適用。

本文翻譯自Implementing the Singleton Pattern in C#, 作者在文中做了一些循環(huán)測(cè)試，具體的讀者可直接閱讀原文。

Exception

有時(shí)候在進(jìn)行構(gòu)造函數(shù)初始化時(shí)可能 會(huì)拋出異常，但這對(duì)整個(gè)應(yīng)用程序來說不應(yīng)該是致命的，所以可能的情況下，你應(yīng)該自己處理這種異常情況。

總結(jié)

上述提供的幾種實(shí)現(xiàn)方法中，一般情況下提倡使用Version 4，除非遇到有時(shí)早于單列類實(shí)例化時(shí)就引用了其他靜態(tài)成員。這種情況下，Version 2一旦被考慮，雖然它看起來會(huì)因加鎖耗時(shí)，但是其實(shí)運(yùn)行起來并沒有你想的那么慢，關(guān)鍵是你很容易寫對(duì)它。

顯然Version 1你永遠(yuǎn)都不應(yīng)該考慮，Version 3在與Version 5的對(duì)比下也是不在考慮范圍之內(nèi)的。

到此這篇關(guān)于C#實(shí)現(xiàn)單例模式的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C#實(shí)現(xiàn)單例模式內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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