设计模式之一：单例模式（Singleton Pattern）
写这个系列的文章，只为把所学的设计模式再系统的整理一遍。错误和不周到的地方欢迎你们批评。点击这里下载源代码。html
何时使用单例模式
在程序运行时，某种类型只须要一个实例时，通常采用单例模式。为何须要一个实例？第一，性能，第二，保持代码简洁，好比程序中经过某个配置类A读取配置文件，若是在每处使用的地方都new A()，才能读取配置项，一个是浪费系统资源（参考.NET垃圾回收机制），再者重复代码太多。程序员
单例模式的实现
实现单例模式，方法很是多，这里我把见过的方式都过一遍，来体会如何在支持并发访问、性能、代码简洁程度等方面不断追求极致。（单击此处下载代码）c#
实现1：非线程安全设计模式
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading;
6: using System.Threading.Tasks;
7:
8: namespace SingletonPatternNotTheadSafe
9: {
10: public sealed class Singleton
11: {
12: private static Singleton instance = null;
13:
14: private Singleton()
15: {
16: }
17:
18: public static Singleton Instance
19: {
20: get
21: {
22: if (instance == null)
23: {
24: Thread.Sleep(1000);
25: instance = new Singleton();
26: Console.WriteLine(string.Format(
27: "[{0}]建立Singleton {1}" , Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, instance.GetHashCode()));
28: }
29:
30: Console.WriteLine(string.Format(
31: "[{0}]得到Singleton {1}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, instance.GetHashCode()));
32: return instance;
33: }
34: }
35: }
36: }
为了可以在下面的测试代码中展现上面代码的问题，这里在建立对象前，让线程休息1秒，而且在控制台打印出当前线程ID、对象的hashcode（通常不一样对象的hashcode是不同的，但可能重复）。安全
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading;
6: using System.Threading.Tasks;
7:
8: namespace SingletonPatternNotTheadSafe
9: {
10: class Program
11: {
12: private static void Main(string[] args)
13: {
14: Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(Compute));
15:
16: t1.Start();
17:
18: Compute();
19:
20: Console.ReadLine(); // 阻止主线程结束
21: }
22:
23: private static void Compute()
24: {
25: Singleton o1 = Singleton.Instance;
26: }
27: }
28: }
执行结果以下：架构
分析：并发
Singleton.Instance的get方法中建立instance并未考虑并发访问的状况，致使可能重复建立Singleton对象。下面的实现方法修复了此问题。app
实现2：简单线程安全ide
要解决上面的问题，最简单的方法就是在建立对象的时候加锁。函数
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading;
6: using System.Threading.Tasks;
7:
8: namespace SingletonSimpleThreadSafe
9: {
10: public sealed class Singleton
11: {
12: private static Singleton instance = null;
13: private static readonly object _lock = new object();
14:
15: private Singleton()
16: {
17: }
18:
19: public static Singleton Instance
20: {
21: get
22: {
23: lock (_lock)
24: {
25: if (instance == null)
26: {
27: Thread.Sleep(1000);
28: instance = new Singleton();
29: Console.WriteLine(string.Format(
30: "[{0}]建立Singleton {1}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, instance.GetHashCode()));
31: }
32: }
33:
34: Console.WriteLine(string.Format(
35: "[{0}]得到Singleton {1}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, instance.GetHashCode()));
36: return instance;
37: }
38: }
39: }
40: }
测试代码以下：
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading;
6: using System.Diagnostics;
7: using System.Threading.Tasks;
8:
9: namespace SingletonSimpleThreadSafe
10: {
11: class Program
12: {
13: private static void Main(string[] args)
14: {
15: SingletonTest();
16: }
17:
18: private static void SingletonTest()
19: {
20: Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(Compute));
21:
22: t1.Start();
23:
24: Compute();
25:
26: Console.ReadLine(); // 阻止主线程结束
27: }
28:
29: private static void Compute()
30: {
31: Singleton o1 = Singleton.Instance;
32: }
33: }
34: }
咱们再看看执行效果：
建立Singleton只执行一次。可是这种写法性能并不高，每次经过Singleton.Instance得到实例对象都须要判断锁是否别别的线程占用。
这里咱们修改一下Singleton，把代码中的Thread.Sleep和Console.Writeline都去掉，这里我从新建立了一个Singleton2 class，两个线程中循环调用100000000次，看一下这么实现的性能：
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading;
6: using System.Threading.Tasks;
7:
8: namespace SingletonSimpleThreadSafe
9: {
10: public sealed class Singleton2
11: {
12: private static Singleton2 instance = null;
13: private static readonly object _lock = new object();
14:
15: private Singleton2()
16: {
17: }
18:
19: public static Singleton2 Instance
20: {
21: get
22: {
23: lock (_lock)
24: {
25: if (instance == null)
26: {
27: instance = new Singleton2();
28: }
29: }
30:
31: return instance;
32: }
33: }
34: }
35: }
测试代码以下：
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading;
6: using System.Diagnostics;
7: using System.Threading.Tasks;
8:
9: namespace SingletonSimpleThreadSafe
10: {
11: class Program
12: {
13: private static void Main(string[] args)
14: {
15: Singleton2Test();
16: }
17:
18: private static void Singleton2Test()
19: {
20: Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(Compute2));
21:
22: t1.Start();
23:
24: Compute2();
25:
26: Console.ReadLine(); // 阻止主线程结束
27: }
28:
29: private static void Compute2()
30: {
31: Stopwatch sw1 = new Stopwatch();
32:
33: sw1.Start();
34:
35: for (int i = 0; i < 100000000; i++)
36: {
37: Singleton2 instance = Singleton2.Instance;
38: }
39:
40: sw1.Stop();
41:
42: Console.WriteLine(string.Format("[{0}]耗时：{1}毫秒",
43: Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
44: sw1.ElapsedMilliseconds));
45: }
46: }
47: }
执行结果：
咱们先不讨论结果，接着往下看看双检锁方式的性能。
实现3：双检锁实现的线程安全
Singleton双检锁实现：
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading;
6: using System.Threading.Tasks;
7:
8: namespace SingletonDoubleCheckThreadSafe
9: {
10: public sealed class Singleton2
11: {
12: private static Singleton2 instance = null;
13: private static readonly object _lock = new object();
14:
15: private Singleton2()
16: {
17: }
18:
19: public static Singleton2 Instance
20: {
21: get
22: {
23: if (instance == null)
24: {
25: lock (_lock)
26: {
27: if (instance == null)
28: {
29: instance = new Singleton2();
30: }
31: }
32: }
33:
34: return instance;
35: }
36: }
37: }
38: }
测试代码和上面的同样，结果以下：
性能提升了（7571+7465-1410-1412）/ (7571+7465) * 100% = 81.2%。（实际项目中为了减小偏差，应该跑多遍测试获得多个结果的平均值和方差，这里为了方便，我只把一次测试结果贴出来。）
双检锁机制在lock外又检查了一次instance是否为null，这样在第一次访问使instance建立后，后面的调用都无需检查lock是否被占用。
一名程序员要了解到这里算基本合格，若是想达到更高的水平，继续往下看。这种方式有什么缺点呢？
- 上面的代码在Java中不能正常工做。这是由于Java的Memory Model实现和.NET不同，并不保证必定在构造函数执行完成后才返回对象的引用。虽然Java 1.5版本重构了Memory Model，可是双检锁机制在不给instance field加volatile关键字时，依然不能正常工做。
- Microsoft的.net memory model并非按照标准的ECMA CLI规范实现，而是在标准上作了一些“加强”工做。MS .net CLR memory model中全部的写操做都是VolatileWrite（参考《CLR via C#》第二版的第24章）。因此咱们的代码中不加volatile也能在IA64CPU 架构的机器上正常执行。可是如Jeffrey建议，最好仍是遵循ECMA标准。
- 实现复杂。
实现4：非懒加载，无锁实现线程安全
.NET中的static变量在class被第一次实例化的时候建立，且保证仅执行一次建立。利用这个特色，能够像以下实现：
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading.Tasks;
6:
7: namespace SingletonNotUsingLock
8: {
9: public class Singleton
10: {
11: private volatile static Singleton instance = new Singleton();
12:
13: // Explicit static constructor to tell C# compiler
14: // not to mark type as beforefieldinit
15: static Singleton()
16: {
17: Console.WriteLine("execute static constructor");
18: }
19:
20: private Singleton()
21: {
22: Console.WriteLine("execute private constructor");
23: }
24:
25: public static Singleton Instance
26: {
27: get
28: {
29: Console.WriteLine("instance get");
30: return instance;
31: }
32: }
33: }
34: }
上面的代码能够更简化一些，去掉Instance属性，将私有的instance变量改为public的：
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading.Tasks;
6:
7: namespace SingletonNotUsingLock
8: {
9: public class Singleton2
10: {
11: public volatile static Singleton2 instance = new Singleton2();
12:
13: // Explicit static constructor to tell C# compiler
14: // not to mark type as beforefieldinit
15: static Singleton2()
16: {
17: Console.WriteLine("execute static constructor");
18: }
19:
20: private Singleton2()
21: {
22: Console.WriteLine("execute private constructor");
23: }
24: }
25: }
代码很是简洁。可是为何有个静态构造函数呢，咱们看看下面的测试代码：
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading.Tasks;
6:
7: namespace SingletonNotUsingLock
8: {
9: class Program
10: {
11: static void Main(string[] args)
12: {
13: Console.WriteLine("begin create singleton");
14:
15: Singleton s1 = Singleton.Instance;
16:
17: Console.WriteLine("after create singleton");
18:
19: Singleton2 s2 = Singleton2.instance;
20:
21: Console.WriteLine("after create singleton2");
22: }
23: }
24: }
执行结果以下：
把静态构造函数去掉后执行结果以下：
这是由于没有静态构造函数的类，编译时会被标记称beforefieldinit，那么，beforefieldinit究竟表示什么样的语义呢？Scott Allen对此进行了详细的解释：beforefieldinit为CLR提供了在任什么时候候执行.cctor的受权，只要该方法在第一次访问类型的静态字段以前执行便可。
实现5：无锁懒加载
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading.Tasks;
6:
7: namespace SingletonNotUsingLockAndLazyLoad
8: {
9: public class Singleton
10: {
11: private Singleton()
12: {
13: Console.WriteLine("execute Singleton private constructor");
14: }
15:
16: public static Singleton Instance
17: {
18:
19: get
20: {
21: Console.WriteLine("execute Singleton.Instance get");
22: return Nested.instance;
23: }
24: }
25:
26: private class Nested
27: {
28: // Explicit static constructor to tell C# compiler
29: // not to mark type as beforefieldinit
30: static Nested()
31: {
32: Console.WriteLine("execute Nested static constructor");
33: }
34:
35: internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
36: }
37: }
38: }
实现6：使用.NET 4.0中的Lazy<T>
1: using System;
2: using System.Collections.Generic;
3: using System.Linq;
4: using System.Text;
5: using System.Threading.Tasks;
6:
7: namespace SingletonUsingLazyType
8: {
9: public sealed class Singleton
10: {
11: private static readonly Lazy<Singleton> lazy =
12: new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());
13:
14: public static Singleton Instance { get { return lazy.Value; } }
15:
16: private Singleton()
17: {
18: }
19: }
20: }
参考：
相关文章
- 1. 设计模式—单例模式（Singleton pattern）
- 2. 设计模式 ：单例模式（Singleton Pattern）
- 3. 【设计模式】单例模式(Singleton Pattern)
- 4. 设计模式-单例模式（Singleton Pattern）
- 5. 设计模式--单例模式【Singleton Pattern】
- 6. 【设计模式】Singleton Pattern——单例模式
- 7. 【设计模式】Singleton Pattern 单例模式
- 8. 设计模式：单例模式（Singleton Pattern)
- 9. 设计模式 -- Singleton Pattern（单例模式）
- 10. 【设计模式】单例模式 Singleton Pattern
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- 5. 设计模式--单例模式【Singleton Pattern】
- 6. 【设计模式】Singleton Pattern——单例模式
- 7. 【设计模式】Singleton Pattern 单例模式
- 8. 设计模式：单例模式（Singleton Pattern)
- 9. 设计模式 -- Singleton Pattern（单例模式）
- 10. 【设计模式】单例模式 Singleton Pattern