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设计模式(创建型模式)——单例模式

1.定义

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。

 

2.适用性

1)当类只能有一个实例而客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。

2)当这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的,并且客户应该无需更改代码就能使用一个扩展的实例时。

 

3.结构

技术分享 

1 单例模式类图

注:

Singleton:定义一个Instance操作,允许客户访问它的唯一实例。Instance是一个类操作(C#中为静态方法),Singleton负责创建它自己的唯一实例。

4.实现方法

1)经典模式

静态变量uniqueInstance存储唯一实例。公有静态方法GetInstance提供访问SingletonFirst的全局访问点,由于除了GetInstance方法外,类的成员均为私有的,所以GetInstance提供的为唯一访问方式。在GetInstance()方法中,对uniqueInstance是否为null做了判断,因此使得对象只能被实例化一次。

 1 public class SingletonFirst
 2 {
 3       private static SingletonFirst uniqueInstance;
 4       private SingletonFirst() { }
 5 
 6       public static SingletonFirst GetInstance()
 7       {
 8           if(uniqueInstance==null)
 9           {
10               uniqueInstance = new SingletonFirst();
11           }
12           return uniqueInstance;
13       }
14 }

2)使用属性而不是方法

这种实现方式与第一种方式的区别在于客户通过属性获得对象实例。

 

 1 public class SingletonSecond
 2 {
 3     private static SingletonSecond uniqueInstance;
 4     private SingletonSecond() { }
 5     public static SingletonSecond Instance
 6     {
 7         get
 8         {
 9             if (uniqueInstance == null)
10             {
11                 uniqueInstance = new SingletonSecond();
12             }
13             return uniqueInstance;
14         }
15     }
16 }

 

3)只能获得一次单例

这种单例模式的实现方式较之前几种有较大的差别客户不能反复调用Instance属性获得实例;客户要将第一次获得的实例赋给一个变量,之后若要访问实例,则只能通过使用这一变量的间接方式。

 1 public class SingletonThird
 2 {
 3     private static bool instanceFlag = false;
 4     private SingletonThird() { }
 5 
 6     public static SingletonThird Instance
 7     {
 8         get 
 9         {
10             if (!instanceFlag)
11             {
12                 return new SingletonThird();
13             }
14             else
15             {
16                 return null;
17             }
18         }
19     }
20 }

4)支持并发访问

这种单例模式的实现方式与第一种基本一致,只不过在声明uniqueInstanc的同时完成对象的实例化。优点是静态字段在类首次被使用前初始化,可以防止并发访问。

 1 public class SingletonFourth
 2 {
 3         private static readonly SingletonFourth uniqueInstance = new    SingletonFourth();
 4         private SingletonFourth() { }
 5 
 6         public static SingletonFourth GetInstance()
 7         {
 8             return uniqueInstance;
 9         }
10 }

5)使用私有静态构造器

这种方式使用了私有的静态构造器。静态构造器在类第一次被访问前由CLR自动调用,达到防止并发访问的目的。使用静态构造器而不是静态初始化器的好处是:可以在静态构造器中处理异常。

 1 public class SingletonFifth
 2 {
 3         private static readonly SingletonFifth uniqueInstance;
 4         static SingletonFifth() 
 5         {
 6             uniqueInstance = new SingletonFifth();
 7         }
 8 
 9         public static SingletonFifth GetInstance()
10         {
11             return uniqueInstance;
12         }
13 }

6)使用锁

这种方式采用加锁的办法来防止并发访问缺点就是锁的开销比较大,如果用户对于性能比较关心,那么不建议采用这种方式。也可以考虑其他开销比较小的同步机制。

 

 1 public class SingletonSixth
 2 {
 3         private static SingletonSixth uniqueInstance;
 4         private static Object lockObj = new object();
 5         private SingletonSixth() { }
 6 
 7         public static SingletonSixth GetInstance()
 8         {
 9             lock (lockObj)
10             {
11                 if (uniqueInstance == null)
12                 {
13                     uniqueInstance = new SingletonSixth();
14                 }
15                 return uniqueInstance;
16             }
17         }
18 }

 

7)延迟初始化

使用Lazy<T>达到延迟初始化的目的,但这种方式是非线程安全的。

 1 public class SingletonSeventh
 2 {
 3         private static readonly Lazy<SingletonSeventh> lazy =
 4             new Lazy<SingletonSeventh>(() => new SingletonSeventh());
 5         private SingletonSeventh(){}
 6        
 7         public static SingletonSeventh Instance 
 8         {
 9             get
10             {
11                 return lazy.Value;
12             }
13         }
14 }

8)最简洁的方式

这种方法与标准的单例模式结构不符,但这种方式的确实现了单例模式   符合单例模式的定义:只有一个实例且提供一个全局访问点uniqueInstance静态变量在声明时初始化,同时构造器可访问性为private,确保类不允许在外部实例化uniqueInstance变量的可访问性为public,所以全局的访问点就是uniqueInstance

 

1 public class SingletonEighth
2 {
3         public static readonly SingletonEighth uniqueInstance = new SingletonEighth();
4         private SingletonEighth()
5         {
6             //这里执行初始化工作或其他任务
7         }
8 }

 

5.扩展单例模式使可以有几个实例

 1 public class SingletonExpansion
 2 {
 3         private static int count = 0;
 4         private static SingletonExpansion uniqueInstance;
 5         private SingletonExpansion(){}
 6 
 7         public static SingletonExpansion Instance
 8         {
 9             get
10             {
11                 if (count < 2)
12                 {
13                     uniqueInstance = new SingletonExpansion();
14                     count++;
15                     return uniqueInstance;
16                 }
17                 else
18                 {
19                     return uniqueInstance;
20                 }
21             }
22         }
23 }

6 概念辨析

1)使用静态成员与使用单例模式之间的比较:

相同点:

  • 使用静态成员与使用单例模式都可以获得类的唯一实例。
  • 使用静态成员与使用单例模式都可以将数据一次性地加载到内存中,已提高系统运行效率。

不同点:

  • 使用单例模式而不使用静态成员可能会增加代码的复杂度。
  • 单例模式提供了更多的控制机制。可以在构造器中处理数据或执行其他操作;可以控制类的状态,根据类的状态完成适当的操作。
  • 在单例模式中运用接口,使得用户可以扩展程序而不比修改代码,这也符合开放封闭原则(OCP)。

2)一个类只有唯一的实例不一定就运用了单例模式

单例模式的两个要素:

  • 有且仅有一个实例。
  • 必须提供一个全局的访问点。

上述两个条件缺一不可,否则就不是单例模式。

 

7 实现方式总结

1)实现了延迟初始化的为:SingletonFirst,SingletonSecond,SingletonThird,SingletonSeventh

    延迟初始化的好处:若对象占用资源(时间上创建时间比较长或空间上耗费内存较大)比较大,程序的执行过程中从未使用到,那么延迟初始化可以避免耗费资源。如果对象并不占用较多的资源那么采用哪种方式都无所谓了。

2)线程安全的:SingletonFourth,SingletonFifth,SingletonSixth

多线程编程中其他几种实现方法可能会多个实例。

 

8 .NET Framework 中的单例模式

1) Microsoft.SqlServer.Server.SmiContextFactory

此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同

源码概要

 1 namespace Microsoft.SqlServer.Server {
 2 
 3 using System;
 4     
 5 using System.Data.Common;
 6     
 7 using System.Data.SqlClient;
 8     
 9 using System.Diagnostics;
10 
11 sealed internal class SmiContextFactory 
12  {
13         
14     public static readonly SmiContextFactory Instance = new SmiContextFactory();
15     //省略一些变量
16     private SmiContextFactory() {
17 
18     //省略了具体实现}
19 
20     //省略其他方法
21 
22     }
23 }

2) sealed internal class SqlConnectionFactory

此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同 

源码概要

 

 1 namespace System.Data.SqlClient
 2 {
 3     
 4 using System;
 5     
 6 using System.Data.Common;
 7     
 8 //省略其他using 
 9     
10 using Microsoft.SqlServer.Server;
11 sealed internal class SqlConnectionFactory : DbConnectionFactory {
12                 private SqlConnectionFactory() :
13 base(SqlPerformanceCounters.SingletonInstance) {}
14 
15 public static readonly SqlConnectionFactory SingletonInstance =         new SqlConnectionFactory();
16 //省略以下其他代码
17 }

 

3) sealed internal class SqlPerformanceCounters

此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同

源码概要

 

 1 namespace System.Data.SqlClient
 2 {
 3     
 4 using System;
 5     
 6 using System.Data.Common;
 7     
 8 //省略其他using语句 
 9     
10 using Microsoft.SqlServer.Server;
11 
12 sealed internal class SqlPerformanceCounters :
13 DbConnectionPoolCounters {
14         
15 private const string CategoryName = ".NET Data Provider for         SqlServer";
16  
17 private const string CategoryHelp = "Counters for                     System.Data.SqlClient";
18  
19         
20 public static readonly SqlPerformanceCounters SingletonInstance         = new SqlPerformanceCounters();
21  
22                 [System.Diagnostics.PerformanceCounterPermissionAttribute
23 (System.Security.Permissions.SecurityAction.Assert,         PermissionAccess=PerformanceCounterPermissionAccess.Write,         MachineName=".", CategoryName=CategoryName)]
24         
25 private SqlPerformanceCounters() : base (CategoryName, CategoryHelp) {
26         }
27    
28 }
29 }

 

设计模式(创建型模式)——单例模式