单利模式（Singleton）的实现

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-05-31 07:42 220阅读 0赞

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。

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。

## 1、懒汉式，线程不安全 ##

**是否 Lazy 初始化：**是  
**是否多线程安全：**否  
**实现难度：**易  
**描述**：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。  
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。  
**代码实例：**

public sealed class Singleton {  
        private static Singleton instance;  
        private Singleton (){}  
    
        public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
        }  
    }

public sealed class Singleton
    {
        private static Singleton _instance = null;
        private Singleton()
        {
        }
        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。

## 2、懒汉式，线程安全 ##

**是否 Lazy 初始化：**是  
**是否多线程安全：**是  
**实现难度：**易  
**描述：**这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。  
**优点：**第一次调用才初始化，避免内存浪费。  
**缺点：**必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。  
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。  
代码实例：

public sealed class Singleton {  
        private static Singleton instance;  
        private Singleton (){}  
        public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
        }  
    }

## 3、饿汉式 ##

**是否 Lazy 初始化：**否  
**是否多线程安全：**是  
**实现难度：**易  
**描述：**这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。  
**优点：**没有加锁，执行效率会提高。  
**缺点：**类加载时就初始化，浪费内存。  
它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

**代码实例：**

public sealed class Singleton {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
        private Singleton (){}  
        public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
        }  
    }

## 4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking） ##

**是否 Lazy 初始化：**是  
**是否多线程安全：**是  
**实现难度：**较复杂  
描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。  
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

**代码实例：**

public sealed class Singleton
    {
        private volatile static Singleton _instance = null;
        private static readonly object lockHelper = new object();
        private Singleton(){}
        public static Singleton getSingleton()
        {
            if(_instance == null)
            {
                lock(lockHelper)
                {
                    if(_instance == null)
                         _instance = new Singleton();
                }
            }
            return _instance;
        }
    }

## 5、登记式/静态内部类 ##

**是否 Lazy 初始化：**是  
**是否多线程安全：**是  
**实现难度：**一般  
**描述：**这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。  
这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

**代码实例：**

public class Singleton {  
        private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
        }  
        private Singleton (){}  
        public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
        }  
    }

## 6. Lazy 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。

## 最后一种可能是C\#这样的高级语言特有的，实在懒得出奇 ##

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

这使得代码减少了许多，同时也解决了线程问题带来的性能上损失。那么它又是怎样工作的呢？

注意到，Singleton类被声明为sealed，以此保证它自己不会被继承，其次没有了Instance的方法，将原来\_instance成员变量变成public readonly，并在声明时被初始化。  
通过这些改变，我们确实得到了Singleton的模式，原因是在JIT的处理过程中，如果类中的static属性被任何方法使用时，**.NET Framework将对这个属性进行初始化，于是在初始化Instance属性的同时Singleton类实例得以创建和装载。而私有的构造函数和readonly(只读)保证了Singleton不会被再次实例化**，这正是Singleton设计模式的意图。

不过这也带来了一些问题，比如无法继承，实例在程序一运行就被初始化，无法实现延迟初始化等。