餓漢式單例與懶漢式單例的C#實現

      本文將介紹如何使用C#語言實現餓漢式單例與懶漢式單例，並分析餓漢式單例與懶漢式單例的優缺點。

 

     1. 餓漢式單例類

      餓漢式單例類(Eager Singleton)是實現起來最容易的單例類，餓漢式單例類結構圖1所示。

圖1 餓漢式單例類圖

      從圖1中可以看出，由於在定義靜態變數的時候執行個體化單例類，因此在類載入時單例對象就已建立，代碼如下：

class EagerSingleton {     private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();     private EagerSingleton() { }     public static EagerSingleton GetInstance()     {        return instance;     }}

      當類被載入時，靜態變數instance 會被初始化，此時類的私人建構函式會被調用，單例類的唯一執行個體將被建立。

 

      2. 懶漢式單例類與雙重檢查鎖定

      與餓漢式單例類相同之處是，懶漢式單例類(Lazy Singleton)的建構函式也是私人的。與餓漢式單例類不同的是，懶漢式單例類在第一次被引用時將自己執行個體化，在懶漢式單例類被載入時不會將自己執行個體化。懶漢式單例類結構圖2所示。

圖2  懶漢式單例類圖

      從圖2可以看出，在懶漢式單例類中，不是在定義靜態變數時執行個體化單例類，而是在第一次調用靜態Factory 方法時執行個體化單例類。

      但是懶漢式單例存在一個很嚴重的問題：如果在高並發、多線程環境下實現懶漢式單例類，在某一時刻可能會有多個線程需要使用單例對象，即會有多個線程同時調用GetInstance()方法，可能會造成建立多個執行個體對象，這將違背單例模式的設計意圖。為了防止產生多個單例對象，需要使用C#語言中的lock關鍵字，lock關鍵字鎖定的程式碼片段稱之為臨界區，可以確保當一個線程位於代碼的臨界區時，另一個線程不能進入臨界區。如果其他線程試圖進入鎖定的代碼，則將一直等待，直到該對象被釋放為止。修改之後的懶漢式單例類代碼如下：

class LazySingleton {     private static LazySingleton instance = null;     //程式運行時建立一個靜態唯讀輔助對象    private static readonly object syncRoot = new object();    private LazySingleton() { }     public static LazySingleton GetInstance()     {         //第一重判斷，先判斷執行個體是否存在，不存在再加鎖處理        if (instance == null)         {            //加鎖的程式在某一時刻只允許一個線程訪問            lock(syncRoot)            {                //第二重判斷                if(instance==null)                {                    instance = new LazySingleton();  //建立單例執行個體                }            }        }        return instance;     }}

      在上面給出的懶漢式單例類實現代碼中，對靜態Factory 方法GetInstance()中建立單例對象的代碼進行了加鎖，由於在調用時無法確定該單例對象是否已建立，因此需要使用輔助對象syncRoot來進行代碼鎖定。為了不影響程式的效能，此處只鎖定建立單例對象的代碼，並未鎖定整個方法。如果執行個體存在則直接返回，如果執行個體未建立則加鎖後再建立。

      為了更好地對單例對象的建立進行控制，此處使用了一種被稱之為雙重檢查鎖定(Double-CheckLocking)的雙重判斷機制。在雙重檢查鎖定中，當執行個體不存在且同時有兩個線程調用GetInstance()方法時，它們都可以通過第一重“instance==null”判斷，然後由於lock鎖定機制，只有一個線程進入lock中執行建立代碼，另一個線程處於排隊等待狀態，必須等待第一個線程執行完畢後才可以進入lock鎖定的代碼，如果此時不進行第二重“instance==null”判斷，第二個線程並不知道執行個體已經建立，將繼續建立新的執行個體，還是會產生多個單例對象，違背單例模式的設計思想，因此需要進行雙重檢查。

 

      3. 餓漢式單例類與懶漢式單例類比較

       餓漢式單例類在類被載入時就將自己執行個體化，它的優點在於無須考慮多個線程同時訪問的問題，可以確保執行個體的唯一性；從調用速度和反應時間角度來講，由於單例對象一開始就得以建立，因此要優於懶漢式單例。但是無論系統在運行時是否需要使用該單例對象，由於在類載入時該對象就需要建立，因此從資源利用效率角度來講，餓漢式單例不及懶漢式單例，而且在系統載入時由於需要建立餓漢式單例對象，載入時間可能會比較長。

      懶漢式單例類在第一次使用時建立，無須一直佔用系統資源，實現了消極式載入，但是必須處理好多個線程同時訪問的問題，特別是當單例類作為資源控制器，在執行個體化時必然涉及資源初始化，而資源初始化很有可能耗費大量時間，這意味著出現多線程同時首次引用此類的機率變得較大，需要通過雙重檢查鎖定等機制進行控制，這將導致系統效能受到一定影響。

 

      Java程式員可進一步閱讀：確保對象的唯一性——單例模式 （三）與 確保對象的唯一性——單例模式 （四）

 

  【作者：劉偉  http://blog.csdn.net/lovelion】