1. 单件模式简介

1.1 定义

　　单件模式（Singleton）定义：要求一个类有且仅有一个实例，并且提供了一个全局的访问点，在同一时刻只能被一个线程所访问。

　　单件模式的特点：

　　（1）单件类只能有一个实例。

　　（2）单件类必须自身创建唯一实例。

　　（3）单件类必须给所有其它对象提供唯一实例。

1.2 使用频率

　　中高

2、单件模式结构

2.1 结构图

2.2 参与者

　　单件模式参与者：

　　◊ Singleton

　　　　° 被调用的单件对象；

　　　　° 在单件模式中，通常由Instance()或GetInstance()方法负责对象的创建，该方法应保证每个需要（单件）对象的客户端均能访问。

3. 单件模式结构实现

3.1 单件模式实现要点

　　◊ 单件类有一个私有的无参构造函数，防止被其他类实例化。

　　◊ 单件类不能被继承，使用sealed修饰。

　　◊ 单件类使用静态的变量保存单实例的引用。

　　◊ 单件类使用公有静态方法获取单一实例的引用，如果实例为null即创建一个。

3.2 C#代码

（1）非线程安全

　　主要实现原理：在不考虑并发的情况下，通过以下2点实现单一实例。

　　(a) 静态变量和静态方法在内存中唯一。

　　(b) 私有构造函数确保不能通过调用构造函数来生成实例。

　　Singleton.cs

using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural{    ///     /// 单件模式实现方式：由于该实现方式非线程安全，在实际应用中不推荐使用。    /// 
    public sealed class Singleton    {        // 定义一个静态变量来保存类的实例        private static Singleton _instance;        // 私有构造函数，防止通过new实例化对象        private Singleton()        {        }        ///         /// 定义公有静态方法，获取实例，并加入判断，保证实例只被创建一次        /// 
        /// 
             public static Singleton Instance()        {            // 使用延迟初始化            // 若类的实例不存在则创建实例，若存在则返回实例            // 注: 非线程安全            if (_instance == null)            {                _instance = new Singleton();            }            return _instance;        }    }}

　　Program.cs

using System;using System.Collections.Generic;using System.Linq;using System.Text;using Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural;namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern{    class Program    {        static void Main(string[] args)        {            // 创建一个实例s1            Singleton s1 = Singleton.Instance();            // 创建一个实例s2            Singleton s2 = Singleton.Instance();            if (s1 == s2)            {                Console.WriteLine("对象为相同实例");            }        }    }}

　　运行输出：

对象为相同实例请按任意键继续. . .

注：以上的实现方式适用于单线程环境，在多线程的环境下有可能得到Singleton类的多个实例。假如同时有两个线程去判断（null == _singleton），并且得到的结果为真，那么两个线程都会创建类Singleton的实例，这样就违背了Singleton模式“唯一实例”的原则。

　　多线程测试：

using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;using System.Threading;namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural{    ///     /// 单件模式实现方式：由于该实现方式非线程安全，在实际应用中不推荐使用。    /// 
    public sealed class Singleton    {        // 定义一个静态变量来保存类的实例        private static Singleton _instance;        // 私有构造函数，防止通过new实例化对象        private Singleton()        {        }        ///         /// 定义公有静态方法，获取实例，并加入判断，保证实例只被创建一次        /// 
        /// 
             public static Singleton Instance()        {            // 使用延迟初始化            // 若类的实例不存在则创建实例，若存在则返回实例            // 注: 非线程安全            if (_instance == null)            {                Thread.Sleep(1000); // 模拟线程阻塞                _instance = new Singleton();            }            return _instance;        }    }}

using System;using System.Threading;using Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural;namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern{    class Program    {        static void Main(string[] args)        {            Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(Display));            t1.Start();            Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(Display));            t2.Start();        }        public static void Display()        {            Singleton s = Singleton.Instance();            Console.WriteLine("Singleton：" + s.GetHashCode());        }    }}

　　运行结果：

Singleton：63835064Singleton：6044116

（2）简单线程安全

using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural{    ///     /// 单件模式实现方式：简单线程安全。    /// 
    public sealed class Singleton    {        // 定义一个静态变量来保存类的实例        private static Singleton _instance;        // 定义一个标识确保线程同步        private static readonly object _syncLock = new object();        // 私有构造函数，防止通过new实例化对象        private Singleton()        {        }        ///         /// 定义公有静态方法，获取实例，并加入判断，保证实例只被创建一次        /// 
        /// 
             public static Singleton Instance()        {            // 当第一个线程运行到这里时，此时会对_syncLock对象 "加锁"，            // 当第二个线程运行该方法时，首先检测到_syncLock对象为"加锁"状态，该线程就会挂起等待第一个线程解锁            // lock语句运行完之后（即线程运行完之后）会对该对象"解锁"            lock (_syncLock)            {                // 使用延迟初始化                // 若类的实例不存在则创建实例，若存在则返回实例                if (_instance == null)                {                    _instance = new Singleton();                }            }            return _instance;        }    }}

　　以上方式的实现方式是线程安全的，首先创建了一个静态只读的进程辅助对象，由于lock是确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不能进入临界区（同步操作）。如果其他线程试图进入锁定的代码，则它将一直等待，直到该对象被释放。从而确保在多线程下不会创建多个对象实例了。

　　但这种实现方式要进行同步操作，将影响系统性能的瓶颈和增加了额外的开销。

（3）双重锁定线程安全

　　在上面简单线程安全代码中，对于每个线程都会对线程辅助对象locker加锁之后再判断实例是否存在。

　　对于这个操作完全没有必要的，因为当第一个线程创建了该类的实例之后，后面的线程此时只需要直接判断（uniqueInstance==null）为假，而不必要对线程辅助对象加锁之后再去判断，所以上面的实现方式增加了额外的开销，损失了性能。

　　为了改进上面实现方式的缺陷，只需要在lock语句前面加一句（uniqueInstance==null）的判断即可避免锁所增加的额外开销，这种实现方式称为“双重锁定”。

using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural{    ///     /// 单件模式实现方式：双重锁定线程安全。    /// 
    public sealed class Singleton    {        // 定义一个静态变量来保存类的实例        private static Singleton _instance;        // 定义一个标识确保线程同步        private static readonly object _syncLock = new object();        // 私有构造函数，防止通过new实例化对象        private Singleton()        {        }        ///         /// 定义公有静态方法，获取实例，并加入判断，保证实例只被创建一次        /// 
        /// 
             public static Singleton Instance()        {            // 当第一个线程运行到这里时，此时会对_syncLock对象 "加锁"，            // 当第二个线程运行该方法时，首先检测到_syncLock对象为"加锁"状态，该线程就会挂起等待第一个线程解锁            // lock语句运行完之后（即线程运行完之后）会对该对象"解锁"            // 双重锁定只需要一句判断即可            if (_instance == null)            {                lock (_syncLock)                {                    // 使用延迟初始化                    // 若类的实例不存在则创建实例，若存在则返回实例                    if (_instance == null)                    {                        _instance = new Singleton();                    }                }            }            return _instance;        }    }}

　　NUnit测试：

using System;using System.Collections.Generic;using System.Reflection;using System.Text;using Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural;using NUnit.Framework;namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Tests{    [TestFixture]    public class SingletonTests    {        [Test]        public void TestCreateSingleton()        {            Singleton s1 = Singleton.Instance();            Singleton s2 = Singleton.Instance();            Assert.AreSame(s1, s2);        }        [Test]        public void TestNoPublicConstructors()        {            Type singleton = typeof(Singleton);            ConstructorInfo[] ctrs = singleton.GetConstructors();            bool hasPublicConstructor = false;            foreach (ConstructorInfo c in ctrs)            {                if (c.IsPublic)                {                    hasPublicConstructor = true;                    break;                }            }            Assert.IsFalse(hasPublicConstructor);        }    }}

　　Microsoft.VisualStudio.TestTools.UnitTesting测试：

using System;using System.Reflection;using Microsoft.VisualStudio.TestTools.UnitTesting;using Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural;namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Tests{    [TestClass]    public class SingletonTests    {        [TestMethod]        public void TestCreateSingleton()        {            Singleton s1 = Singleton.Instance();            Singleton s2 = Singleton.Instance();            Assert.AreSame(s1, s2);        }        [TestMethod]        public void TestNoPublicConstructors()        {            Type singleton = typeof(Singleton);            ConstructorInfo[] ctrs = singleton.GetConstructors();            bool hasPublicConstructor = false;            foreach (ConstructorInfo c in ctrs)            {                if (c.IsPublic)                {                    hasPublicConstructor = true;                    break;                }            }            Assert.IsFalse(hasPublicConstructor);        }    }}