首页 > 其他分享 >单例模式（Singleton）的6种实现

单例模式（Singleton）的6种实现

时间：2024-01-13 20:14:51浏览次数：24  
标签：Singleton 模式 instance 实例 static 单例 public

单例模式（Singleton）的6种实现

 

1.1.1 摘要

       在我们日常的工作中经常需要在应用程序中保持一个唯一的实例，如：IO处理，数据库操作等，由于这些对象都要占用重要的系统资源，所以我们必须限制这些实例的创建或始终使用一个公用的实例，这就是我们今天要介绍的——单例模式（Singleton）。

       使用频率clip_image001 高

       单件模式（Singleton）：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

 

1.1.2 正文

 

singleton

图1单例模式（Singleton）结构图

 

       单例模式（Singleton）是几个创建模式中最对立的一个，它的主要特点不是根据用户程序调用生成一个新的实例，而是控制某个类型的实例唯一性，通过上图我们知道它包含的角色只有一个，就是Singleton，它拥有一个私有构造函数，这确保用户无法通过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。

 

clip_image002

图2单例模式（Singleton）逻辑模型

 

       接下来我们将介绍6中不同的单例模式（Singleton）的实现方式。这些实现方式都有以下的共同点：

 

  1. 有一个私有的无参构造函数，这可以防止其他类实例化它，而且单例类也不应该被继承，如果单例类允许继承那么每个子类都可以创建实例，这就违背了Singleton模式“唯一实例”的初衷。
  2. 单例类被定义为sealed,就像前面提到的该类不应该被继承，所以为了保险起见可以把该类定义成不允许派生，但没有要求一定要这样定义。
  3. 一个静态的变量用来保存单实例的引用。
  4. 一个公有的静态方法用来获取单实例的引用，如果实例为null即创建一个。

 

版本一线程不安全

 

/// <summary>
/// A simple singleton class implements.
/// </summary>
public sealed class Singleton
{
    private static Singleton _instance = null;

    /// <summary>
    /// Prevents a default instance of the 
    /// <see cref="Singleton"/> class from being created.
    /// </summary>
    private Singleton()
    {
    }

    /// <summary>
    /// Gets the instance.
    /// </summary>
    public static Singleton Instance
    {
        get { return _instance ?? (_instance = new Singleton()); }
    }
}

 

      以上的实现方式适用于单线程环境，因为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”的初衷。

 

版本二线程安全

 

/// <summary>
/// A thread-safe singleton class.
/// </summary>
public sealed class Singleton
{
    private static Singleton _instance = null;
    private static readonly object SynObject = new object();

    Singleton()
    {
    }

    /// <summary>
    /// Gets the instance.
    /// </summary>
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            // Syn operation.
            lock (SynObject)
            {
                return _instance ?? (_instance = new Singleton());
            }
        }
    }
}

 

        以上方式的实现方式是线程安全的，首先我们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。只是这种实现方式要进行同步操作，这将是影响系统性能的瓶颈和增加了额外的开销。

 

Double-Checked Locking

       前面讲到的线程安全的实现方式的问题是要进行同步操作，那么我们是否可以降低通过操作的次数呢？其实我们只需在同步操作之前，添加判断该实例是否为null就可以降低通过操作的次数了，这样是经典的Double-Checked Locking方法。

 

/// <summary>
/// Double-Checked Locking implements a thread-safe singleton class
/// </summary>
public sealed class Singleton
{
    private static Singleton _instance = null;
    // Creates an syn object.
    private static readonly object SynObject = new object();

    Singleton()
    {
    }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            // Double-Checked Locking
            if (null == _instance)
            {
                lock (SynObject)
                {
                    if (null == _instance)
                    {
                        _instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return _instance;
        }
    }
}

 

      

       在介绍第四种实现方式之前，首先让我们认识什么是，当字段被标记为beforefieldinit类型时，该字段初始化可以发生在任何时候任何字段被引用之前。这句话听起了有点别扭，接下来让我们通过具体的例子介绍。

 

/// <summary>
/// Defines a test class.
/// </summary>
class Test
{
    public static string x = EchoAndReturn("In type initializer");

    public static string EchoAndReturn(string s)
    {
        Console.WriteLine(s);
        return s;
    }
}

 

      上面我们定义了一个包含静态字段和方法的类Test，但要注意我们并没有定义静态的构造函数。

 

singleton2

图3 Test类的IL代码

 

class Test
{
    public static string x = EchoAndReturn("In type initializer");

    // Defines a parameterless constructor.
    static Test()
    {
    }

    public static string EchoAndReturn(string s)
    {
        Console.WriteLine(s);
        return s;
    }
}

   

    上面我们给Test类添加一个静态的构造函数。

 

  singleton3

图4 Test类的IL代码

 

       通过上面Test类的IL代码的区别我们发现，当Test类包含静态字段，而且没有定义静态的构造函数时，该类会被标记为beforefieldinit。

       现在也许有人会问：“被标记为beforefieldinit和没有标记的有什么区别呢”？OK现在让我们通过下面的具体例子看一下它们的区别吧！

 

class Test
{
    public static string x = EchoAndReturn("In type initializer");

    static Test()
    {
    }

    public static string EchoAndReturn(string s)
    {
        Console.WriteLine(s);
        return s;
    }
}

class Driver
{
    public static void Main()
    {
        Console.WriteLine("Starting Main");
        // Invoke a static method on Test
        Test.EchoAndReturn("Echo!");
        Console.WriteLine("After echo");
        Console.ReadLine();

        // The output result:
        // Starting Main
        // In type initializer
        // Echo!
        // After echo            
    }
}

 

     我相信大家都可以得到答案，如果在调用EchoAndReturn()方法之前，需要完成静态成员的初始化，所以最终的输出结果如下：

 

singleton4

图5输出结果

    接着我们在Main()方法中添加string y = Test.x，如下：

 

public static void Main()
{
    Console.WriteLine("Starting Main");
    // Invoke a static method on Test
    Test.EchoAndReturn("Echo!");
    Console.WriteLine("After echo");

    //Reference a static field in Test
    string y = Test.x;
    //Use the value just to avoid compiler cleverness
    if (y != null)
    {
        Console.WriteLine("After field access");
    }
    Console.ReadKey();

    // The output result:
    // In type initializer
    // Starting Main
    // Echo!
    // After echo
    // After field access

}

 

singleton5

图6 输出结果

        通过上面的输出结果，大家可以发现静态字段的初始化跑到了静态方法调用之前，Wo难以想象啊！

        最后我们在Test类中添加一个静态构造函数如下：

 

class Test
{
    public static string x = EchoAndReturn("In type initializer");

    static Test()
    {
    }

    public static string EchoAndReturn(string s)
    {
        Console.WriteLine(s);
        return s;
    }
}

 

singleton6

图7 输出结果

 

       理论上，type initializer应该发生在”Echo!”之后和”After echo”之前，但这里却出现了不唯一的结果，只有当Test类包含静态构造函数时，才能确保type initializer的初始化发生在”Echo!”之后和”After echo”之前。

所以说要确保type initializer发生在被字段引用时，我们应该给该类添加静态构造函数。接下来让我们介绍单例模式的静态方式。

 

静态初始化

 

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Singleton _instance = new Singleton();

    // Explicit static constructor to tell C# compiler
    // not to mark type as beforefieldinit
    static Singleton()
    {
    }

    /// <summary>
    /// Prevents a default instance of the 
    /// <see cref="Singleton"/> class from being created.
    /// </summary>
    private Singleton()
    {
    }

    /// <summary>
    /// Gets the instance.
    /// </summary>
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            return _instance;
        }
    }
}

 

        以上方式实现比之前介绍的方式都要简单，但它确实是多线程环境下，C#实现的Singleton的一种方式。由于这种静态初始化的方式是在自己的字段被引用时才会实例化。

       让我们通过IL代码来分析静态初始化。

 

singleton7

 

 

图8静态初始化IL代码

 

        首先这里没有beforefieldinit的修饰符，由于我们添加了静态构造函数当静态字段被引用时才进行初始化，因此即便很多线程试图引用_instance，也需要等静态构造函数执行完并把静态成员_instance实例化之后可以使用。

 

延迟初始化

 

/// <summary>
/// Delaies initialization.
/// </summary>
public sealed class Singleton
{
    private Singleton()
    {
    }

    /// <summary>
    /// Gets the instance.
    /// </summary>
    public static Singleton 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 Singleton _instance = new Singleton();
    }
}

 

   这里我们把初始化工作放到Nested类中的一个静态成员来完成，这样就实现了延迟初始化。

 

Lazy<T> type

 

/// <summary>
/// .NET 4's Lazy<T> type
/// </summary>
public sealed class Singleton
{
    private static readonly Lazy<Singleton> lazy =
        new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());

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

    private Singleton()
    {
    }
}

 

     这种方式的简单和性能良好，而且还提供检查是否已经创建实例的属性IsValueCreated。

 

具体例子

     现在让我们使用单例模式（Singleton）实现负载平衡器，首先我们定义一个服务器类，它包含服务器名和IP地址如下：

 

/// <summary>
/// Represents a server machine
/// </summary>
class Server
{
    // Gets or sets server name
    public string Name { get; set; }

    // Gets or sets server IP address
    public string IP { get; set; }
}

 

     由于负载平衡器只提供一个对象实例供服务器使用，所以我们使用单例模式（Singleton）实现该负载平衡器。

 

/// <summary>
/// The 'Singleton' class
/// </summary>
sealed class LoadBalancer
{
    private static readonly LoadBalancer _instance =
        new LoadBalancer();

    // Type-safe generic list of servers
    private List<Server> _servers;
    private Random _random = new Random();

    static LoadBalancer()
    {
    }

    // Note: constructor is 'private'
    private LoadBalancer()
    {
        // Load list of available servers
        _servers = new List<Server> 
            { 
              new Server{ Name = "ServerI", IP = "192.168.0.108" },
              new Server{ Name = "ServerII", IP = "192.168.0.109" },
              new Server{ Name = "ServerIII", IP = "192.168.0.110" },
              new Server{ Name = "ServerIV", IP = "192.168.0.111" },
              new Server{ Name = "ServerV", IP = "192.168.0.112" },
            };
    }

    /// <summary>
    /// Gets the instance through static initialization.
    /// </summary>
    public static LoadBalancer Instance
    {
        get { return _instance; }
    }


    // Simple, but effective load balancer
    public Server NextServer
    {
        get
        {
            int r = _random.Next(_servers.Count);
            return _servers[r];
        }
    }
}

 

  上面负载平衡器类LoadBalancer我们使用静态初始化方式实现单例模式（Singleton）。

 

static void Main()
{
    LoadBalancer b1 = LoadBalancer.Instance;
    b1.GetHashCode();
    LoadBalancer b2 = LoadBalancer.Instance;
    LoadBalancer b3 = LoadBalancer.Instance;
    LoadBalancer b4 = LoadBalancer.Instance;

    // Confirm these are the same instance
    if (b1 == b2 && b2 == b3 && b3 == b4)
    {
        Console.WriteLine("Same instance\n");
    }

    // Next, load balance 15 requests for a server
    LoadBalancer balancer = LoadBalancer.Instance;
    for (int i = 0; i < 15; i++)
    {
        string serverName = balancer.NextServer.Name;
        Console.WriteLine("Dispatch request to: " + serverName);
    }

    Console.ReadKey();
}

 

clip_image002[9]

图9 LoadBalancer输出结果

 

1.1.3 总结

 

单例模式的优点：

单例模式（Singleton）会控制其实例对象的数量，从而确保访问对象的唯一性。

  1. 实例控制：单例模式防止其它对象对自己的实例化，确保所有的对象都访问一个实例。
  2. 伸缩性：因为由类自己来控制实例化进程，类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。

 

单例模式的缺点：

  1. 系统开销。虽然这个系统开销看起来很小，但是每次引用这个类实例的时候都要进行实例是否存在的检查。这个问题可以通过静态实例来解决。
  2. 开发混淆。当使用一个单例模式的对象的时候（特别是定义在类库中的），开发人员必须要记住不能使用new关键字来实例化对象。因为开发者看不到在类库中的源代码，所以当他们发现不能实例化一个类的时候会很惊讶。
  3. 对象生命周期。单例模式没有提出对象的销毁。在提供内存管理的开发语言（比如，基于.NetFramework的语言）中，只有单例模式对象自己才能将对象实例销毁，因为只有它拥有对实例的引用。在各种开发语言中，比如C++，其它类可以销毁对象实例，但是这么做将导致单例类内部的指针指向不明。

 

单例适用性

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。反之，如果一个类可以有几个实例共存，就不要使用单例模式。

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。

 

参考：

http://csharpindepth.com/Articles/General/Singleton.aspx

标签：Singleton,模式,instance,实例,static,单例,public
From： https://www.cnblogs.com/sexintercourse/p/17962845

相关文章

  • 设计模式之中介者模式
    1.定义多个对象之间通过一个中介者对象进行通信和协作，而不是直接相互交互2.口语化表述中介，这在生活中很常见，比如租房中介通常，有住房出租的房东有很多，需要租房的租客也很多，但是租客难以直接联系房东，这个时候租房中介这个职业就出现了房东将房屋登记到中介这里，租客来中介这里......
  • freeswitch: esl inbound模式下外呼拨号
    相信大家可能接到过一些电话，听上去不象是真人打过来的，比如：通知“您的信用卡到期了”，或者“您订的飞机航班取消了，请尽快改签或取消行程”，这种就是所谓的“自动外呼”系统，技术上讲，可以通过eslinbound模式实现（注：对esl不熟悉的朋友，戳这里）大概思路：先把一些要外呼的任务计划，落地存......
  • C++ 单例模式以及内存管理
    引用：https://zhuanlan.zhihu.com/p/37469260https://www.cnblogs.com/xiaolincoding/p/11437231.htmlhttps://blog.csdn.net/unonoi/article/details/121138176单例模式：一个类在全局范围内只有一个实例化的对象核心：构造函数是私有的，防止外界创建单例类的对象。使用类内的......
  • vim模式用法及命令
    vim的安装[root@ycy2023~]#yuminstallvim-y学习vim编辑器vim命令模式(重点)进入命令模式按a,i,o由命令模式进入编辑模式按ESC键就可以退出编辑模式进入命令模式光标移动按a进入是当前光标所在的字符后光标前输入内容,按i进入是当前光标所在字符前输入内容,按o进入......
  • 【设计模式】工厂方法模式——工厂方法模式在Android SDK源码中的应用
    工厂方法模式在AndroidSDK源码中有广泛的应用，无论app层还是framework层，无论是Java实现的还是Kotlin实现的。BitmapFactoryBitmap的构造方法都没有被public修饰，开发者必须用BitmapFactory来生成Bitmap对象，BitmapFactory中用于生产Bitmap实例的工厂方法如下：publicclassBitmapFacto......
  • 原型模式
    原型模式是利用克隆方法克隆出新的对象.定义：原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象特点：不需要知道任何创建的细节，不调用构造函数适用场景：类初始化消耗较多资源new产生的一个对象需要非常繁琐的过程（数据准备、访问权限等）构造函数比较复......
  • 《PySpark大数据分析实战》-14.云服务模式Databricks介绍基本概念
    ......
  • Microsoft 365 新功能速递：数据丢失预防和信息保护策略和标签的仅查看模式
    51CTO博客链接：https://blog.51cto.com/u_13637423微软将于2024年2月推出新功能数据丢失预防和信息保护策略和标签的仅查看模式，此功能允许具有仅查看受限权限的管理员查看数据丢失预防和信息保护策略配置的详细信息，而无需编辑策略或标签配置。这将如何影响您的组织：1.     为管......
  • 详解如何在Linux(CentOS 7)命令行模式安装VMware Tools
    本例中为在Linux（以CentOS7为例）安装VMwareTools。1.首先启动CentOS7,在VMware中点击上方“VM”，点击“InstallVMwareTools...”（如已安装则显示“ReinstallVMwareTools...”）。2.在命令行输入“ls/dev”查看。3.输入“mkdir/mnt/cdrom”在/mnt目录下新建一个名为cdrom的文件夹......
  • 虚拟机网络模式之主机模式
    Host-Only模式其实就是NAT模式去除了虚拟NAT设备，然后使用VMwareNetworkAdapterVMnet1虚拟网卡连接VMnet1虚拟交换机来与虚拟机通信的，Host-Only模式将虚拟机与外网隔开，使得虚拟机成为一个独立的系统，只与主机相互通讯。其网络结构如下图所示：通过上图，我们可以发现，如果要使得虚拟机......

赞助商

阅读排行

网站主页关于我们联系我们网站地图

本网站内容转载自其他媒体，侵权联系[admin##ips99.com]。

Copyright © 2020-2023 IPS99 版权所有 IPS99