C#設計模式(1)——單例模式

一、引言

最近在設計模式的一些內容，主要的參考書籍是《Head First 設計模式》，同時在學習過程中也查看了很多部落格園中關於設計模式的一些文章的，在這裡記錄下我的一些學習筆記，一是為了協助我更深入地理解設計模式，二同時可以給一些初學設計模式的朋友一些參考。首先我介紹的是設計模式中比較簡單的一個模式——單例模式（因為這裡只牽涉到一個類）

二、單例模式的介紹

說到單例模式,大家第一反應應該就是——什麼是單例模式？，從“單例”字面意思上理解為——一個類只有一個執行個體，所以單例模式也就是保證一個類只有一個執行個體的一種實現方法罷了(設計模式其實就是協助我們解決實際開發過程中的方法, 該方法是為了降低對象之間的耦合度,然而解決方案有很多種,所以前人就總結了一些常用的解決方案為書籍,從而把這本書就稱為設計模式)，下面給出單例模式的一個官方定義：確保一個類只有一個執行個體,並提供一個全域訪問點。為了協助大家更好地理解單例模式,大家可以結合下面的類圖來進行理解,以及後面也會剖析單例模式的實現思路:

三、為什麼會有單例模式

看完單例模式的介紹,自然大家都會有這樣一個疑問——為什麼要有單例模式的？它在什麼情況下使用的？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我們的系統中某個對象只需要一個執行個體的情況，例如:作業系統中只能有一個工作管理員,操作檔案時,同一時間內只允許一個執行個體對其操作等,既然現實生活中有這樣的應用情境,自然在軟體設計領域必須有這樣的解決方案了(因為軟體設計也是現實生活中的抽象)，所以也就有了單例模式了。

四、剖析單例模式的實現思路

瞭解完了一些關於單例模式的基本概念之後，下面就為大家剖析單例模式的實現思路的，因為在我自己學習單例模式的時候，咋一看單例模式的實現代碼確實很簡單，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），而且心裡總會這樣一個疑問——為什麼前人會這樣去實現單例模式的呢？他們是如何思考的呢？後面經過自己的琢磨也就慢慢理清楚單例模式的實現思路了，並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執行個體,並提供一個訪問它的全域訪問點）入手，可以把概念進行拆分為兩部分：（1）確保一個類只有一個執行個體；（2）提供一個訪問它的全域訪問點；下面通過採用兩人對話的方式來協助大家更快掌握分析思路：

菜鳥：怎樣確保一個類只有一個執行個體了？

老鳥：那就讓我幫你分析下，你建立類的執行個體會想到用什麼方式來建立的呢？

新手：用new關鍵字啊，只要new下就建立了該類的一個執行個體了，之後就可以使用該類的一些屬性和執行個體方法了

老鳥：那你想過為什麼可以使用new關鍵字來建立類的執行個體嗎？

菜鳥：這個還有條件的嗎？........., 哦，我想起來了，如果類定義私人的建構函式就不能在外界通過new建立執行個體了（註：有些初學者就會問，有時候我並沒有在類中定義建構函式為什麼也可以使用new來建立對象，那是因為編譯器在背後做了手腳了，當編譯器看到我們類中沒有定義建構函式，此時編譯器會幫我們產生一個公有的無參建構函式）

老鳥：不錯，回答的很對，這樣你的疑惑就得到解答了啊

菜鳥：那我要在哪裡建立類的執行個體了？

老鳥：你傻啊，當然是在類裡面建立了（註：這樣定義私人建構函式就是上面的一個思考過程的，要建立執行個體，自然就要有一個變數來儲存該執行個體把，所以就有了私人變數的聲明,但是實現中是定義靜態私人變數,朋友們有沒有想過——這裡為什麼定義為靜態呢?對於這個疑問的解釋為：每個線程都有自己的線程棧，定義為靜態主要是為了在多線程確保類有一個執行個體）

菜鳥：哦，現在完全明白了，但是我還有另一個疑問——現在類執行個體建立在類內部，那外界如何獲得該的一個執行個體來使用它了？

老鳥：這個，你可以定義一個公有方法或者屬性來把該類的執行個體公開出去了（註：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域訪問點）

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代碼了，下面就看看具體的實現代碼（看完之後你會驚訝道：真是這樣的！）：

  /// <summary>    /// 單例模式的實現    /// </summary>    public class Singleton    {        // 定義一個靜態變數來儲存類的執行個體        private static Singleton uniqueInstance;        // 定義私人建構函式，使外界不能建立該類執行個體        private Singleton()        {        }        /// <summary>        /// 定義公有方法提供一個全域訪問點,同時你也可以定義公有屬性來提供全域訪問點        /// </summary>        /// <returns></returns>        public static Singleton GetInstance()        {            // 如果類的執行個體不存在則建立，否則直接返回            if (uniqueInstance == null)            {                uniqueInstance = new Singleton();            }            return uniqueInstance;        }    }

 上面的單例模式的實現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執行個體,因為在兩個線程同時運行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建立Singleton的執行個體，這樣就違背了我們單例模式初衷了，既然上面的實現會運行多個線程執行，那我們對於多線程的解決方案自然就是使GetInstance方法在同一時間只運行一個線程運行就好了，也就是我們線程同步的問題了(對於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    /// </summary>    public class Singleton    {        // 定義一個靜態變數來儲存類的執行個體        private static Singleton uniqueInstance;        // 定義一個標識確保線程同步        private static readonly object locker = new object();        // 定義私人建構函式，使外界不能建立該類執行個體        private Singleton()        {        }        /// <summary>        /// 定義公有方法提供一個全域訪問點,同時你也可以定義公有屬性來提供全域訪問點        /// </summary>        /// <returns></returns>        public static Singleton GetInstance()        {            // 當第一個線程運行到這裡時，此時會對locker對象 "加鎖"，            // 當第二個線程運行該方法時，首先檢測到locker對象為"加鎖"狀態，該線程就會掛起等待第一個線程解鎖            // lock語句運行完之後（即線程運行完之後）會對該對象"解鎖"            lock (locker)            {                // 如果類的執行個體不存在則建立，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,但是上面代碼對於每個線程都會對線程輔助對象locker加鎖之後再判斷執行個體是否存在，對於這個操作完全沒有必要的，因為當第一個線程建立了該類的執行個體之後，後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後再去判斷，所以上面的實現方式增加了額外的開銷，損失了效能，為了改進上面實現方式的缺陷，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，這種實現方式我們就叫它 “雙重鎖定”，下面具體看看實現代碼的：

  /// <summary>    /// 單例模式的實現    /// </summary>    public class Singleton    {        // 定義一個靜態變數來儲存類的執行個體        private static Singleton uniqueInstance;        // 定義一個標識確保線程同步        private static readonly object locker = new object();        // 定義私人建構函式，使外界不能建立該類執行個體        private Singleton()        {        }        /// <summary>        /// 定義公有方法提供一個全域訪問點,同時你也可以定義公有屬性來提供全域訪問點        /// </summary>        /// <returns></returns>        public static Singleton GetInstance()        {            // 當第一個線程運行到這裡時，此時會對locker對象 "加鎖"，            // 當第二個線程運行該方法時，首先檢測到locker對象為"加鎖"狀態，該線程就會掛起等待第一個線程解鎖            // lock語句運行完之後（即線程運行完之後）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)                {                    // 如果類的執行個體不存在則建立，否則直接返回                    if (uniqueInstance == null)                    {                        uniqueInstance = new Singleton();                    }                }            }            return uniqueInstance;        }    }

五、C#中實現了單例模式的類

 理解完了單例模式之後，菜鳥又接著問了：.NET FrameWork類庫中有沒有單例模式的實現呢？

經過查看，.NET類庫中確實存在單例模式的實作類別，不過該類不是公開的，下面就具體看看該類的一個實現的(該類具體存在於System.dll程式集，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    // 但是該類的實現應用了單例模式    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也定義為私人的了        // 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

到這裡，設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，並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後會驚歎：原來如此！