Singleton设计模式的C#实现

Singleton模式

　　 Singleton（译为单件或单态）模式是设计模式中比较简单而常用的模式。

　　 有些时候在整个应用程序中，会要求某个类有且只有一个实例，这个时候可以采用Singleton模式进行设计。用Singleton模式设计的类不仅能保证在应用中只有一个实例，而且提供了一种非全局变量的方法进行全局访问，称为全局访问点，这样对于没有全局变量概念的纯面向对象语言来说是非常方便的，比如C#。

　　 本文用一个计数器的例子来描述在C#中如何使用Singleton模式：计数的值设计为计数器类的一个私有成员变量，它被4个不同的线程进行读写操作，为保证计数的正确性，在整个应用当中必然要求计数器类的实例是唯一的。

Singleton的实现方式

　　 首先看看教科书方式的Singleton标准实现的两种方法，以下用的是类C#伪代码：

　　方法一：

using System; namespace csPattern.Singleton { public class Singleton { static Singleton uniSingleton = new Singleton(); private Singleton() {} static public Singleton instance() { return uniSingleton; } } }

方法二：

using System; namespace csPattern.Singleton { public class Singleton { static Singleton uniSingleton; private Singleton() {} static public Singleton instance() { if (null == uniSingleton) { uniSingleton = new Singleton _lazy(); } return uniSingleton; } } }

　　Singleton模式的实现有两个技巧：一是使用静态成员变量保存“全局”的实例，确保了唯一性，使用静态的成员方法instance() 代替 new关键字来获取该类的实例，达到全局可见的效果。二是将构造方法设置成为private，如果使用new关键字创建类的实例，则编译报错，以防编程时候笔误。

　 上面方法二的初始化方式称为lazy initialization，是在第一次需要实例的时候才创建类的实例，与方法一中类的实例不管用不用一直都有相比，方法二更加节省系统资源。但是方法二在多线程应用中有时会出现多个实例化的现象。

　　假设这里有2个线程：主线程和线程1，在创建类的实例的时候可能会遇到一些原因阻塞一段时间（比如网络速度或者需要等待某些正在使用的资源的释放），此时的运行情况如下：

　　主线程首先去调用instance()试图获得类的实例，instance()成员方法判断该类没有创建唯一实例，于是开始创建实例。由于一些因素，主线程不能马上创建成功，而需要等待一些时间。此时线程1也去调用instance()试图获得该类的实例，因为此时实例还未被主线程成功创建，因此线程1又开始创建新实例。结果是两个线程分别创建了两次实例，对于计数器类来说，就会导致计数的值被重置，与Singleton的初衷违背。解决这个问题的办法是同步。

　　 下面看看本文的计数器的例子的实现：

　　使用方法一：

using System; using System.Threading; namespace csPattern.Singleton { public class Counter { static Counter uniCounter = new Counter(); //存储唯一的实例。 private int totNum = 0; //存储计数值。 private Counter() { Thread.Sleep(100); //这里假设因为某种因素而耽搁了100毫秒。 //在非lazy initialization 的情况下, 不会影响到计数。. } static public Counter instance() { return uniCounter; } public void Inc() { totNum ++;} //计数加1。 public int GetCounter() { return totNum;} //获得当前计数值。 } }

　　以下是调用Counter类的客户程序，在这里我们定义了四个线程同时使用计数器，每个线程使用4次，最后得到的正确结果应该是16：

using System; using System.IO; using System.Threading; namespace csPattern.Singleton.MutileThread { public class MutileClient { public MutileClient() {} public void DoSomeWork() { Counter myCounter = Counter.instance(); //方法一 //Counter_lazy myCounter = Counter_lazy.instance(); //方法二 for (int i = 1; i < 5; i++) { myCounter.Inc(); Console.WriteLine("线程{0}报告: 当前counter为: {1}", Thread.CurrentThread.Name.ToString(), myCounter.GetCounter().ToString()); } } public void ClientMain() { Thread thread0 = Thread.CurrentThread; thread0.Name = "Thread 0"; Thread thread1 =new Thread(new ThreadStart(this.DoSomeWork)); thread1.Name = "Thread 1"; Thread thread2 =new Thread(new ThreadStart(this.DoSomeWork)); thread2.Name = "Thread 2"; Thread thread3 =new Thread(new ThreadStart(this.DoSomeWork)); thread3.Name = "Thread 3"; thread1.Start(); thread2.Start(); thread3.Start(); DoSomeWork(); //线程0也只执行和其他线程相同的工作。 } } }

　　以下为Main函数，本程序的测试入口：

using System; namespace csPattern.Singleton { public class RunMain { public RunMain() {} static public void Main(string[] args) { MutileThread.MutileClient myClient = new MutileThread.MutileClient(); myClient.ClientMain(); System.Console.ReadLine(); } } }

　　执行结果如下：

　　 线程Thread 1报告: 当前counter为: 2

　　 线程Thread 1报告: 当前counter为: 4

　　 线程Thread 1报告: 当前counter为: 5

　　 线程Thread 1报告: 当前counter为: 6

　　 线程Thread 3报告: 当前counter为: 7

　　 线程Thread 3报告: 当前counter为: 8

　　 线程Thread 3报告: 当前counter为: 9

　　 线程Thread 3报告: 当前counter为: 10

　　 线程Thread 0报告: 当前counter为: 1

　　 线程Thread 0报告: 当前counter为: 11

　　 线程Thread 0报告: 当前counter为: 12

　　 线程Thread 0报告: 当前counter为: 13

　　 线程Thread 2报告: 当前counter为: 3

　　 线程Thread 2报告: 当前counter为: 14

　　 线程Thread 2报告: 当前counter为: 15

　　 线程Thread 2报告: 当前counter为: 16

　　 由于系统线程调度的不同，每次的执行结果也不同，但是最终结果一定是16。

　　 方法一中由于实例一开始就被创建，所以instance()方法无需再去判断是否已经存在唯一的实例，而返回该实例，所以不会出现计数器类多次实例化的问题。

使用方法二：

using System; using System.Threading; using System.Runtime.CompilerServices; namespace csPattern.Singleton { public class Counter_lazy { static Counter_lazy uniCounter; private int totNum = 0; private Counter_lazy() { Thread.Sleep(100); //假设多线程的时候因某种原因阻塞100毫秒 } [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] //方法的同步属性 static public Counter_lazy instance() { if (null == uniCounter) { uniCounter = new Counter_lazy(); } return uniCounter; } public void Inc() { totNum ++;} public int GetCounter() { return totNum;} } }

　　不知道大家有没有注意到instance()方法上方的[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] 语句，他就是同步的要点，他指定了instance()方法同时只能被一个线程使用，这样就避免了线程0调用instance()创建完成实例前线程1就来调用instance()试图获得该实例。

　　 根据MSDN的提示，也可以使用lock关键字进行线程的加锁，代码如下：

using System; using System.Threading; namespace csPattern.Singleton { public class Counter_lazy { static Counter_lazy uniCounter; static object myObject = new object(); private int totNum = 0; private Counter_lazy() { Thread.Sleep(100); //假设多线程的时候因某种原因阻塞100毫秒 } static public Counter_lazy instance() { lock(myObject) { if (null == uniCounter) { uniCounter = new Counter_lazy(); } return uniCounter; } } public void Inc() { totNum ++;} public int GetCounter() { return totNum;} } }

　　lock()是对一个对象加互斥锁，只允许一个线程访问其后大括号中语句块，直到该语句块的代码执行完才解锁，解锁后才允许其他的线程执行其语句块。

　　还可以使用Mutex类进行同步，定义private static Mutex mut = new Mutex();后，修改instance()如下，同样可以得到正确的结果：

static public Counter_lazy instance() { mut.WaitOne(); if (null == uniCounter) { uniCounter = new Counter_lazy(); } mut.ReleaseMutex(); return uniCounter; }

　　注意的是，本例中使用方法二要更改方法一的客户程序，去掉Counter_lazy.intance()的注释，并将Counter.intance()注释。

　　singleton模式还可以拓展，只要稍加修改，就可以限制在某个应用中只能允许m个实例存在，而且为m个实例提供全局透明的访问方法。