1. 单件模式简介
1.1 定义
单件模式（Singleton）定义：要求一个类有且仅有一个实例，并且提供了一个全局的访问点，在同一时刻只能被一个线程所访问。
单件模式的特点：
（1）单件类只能有一个实例。
（2）单件类必须自身创建唯一实例。
（3）单件类必须给所有其它对象提供唯一实例。
1.2 使用频率
中高
2、单件模式结构
2.1 结构图
2.2 参与者
单件模式参与者：
◊ Singleton
° 被调用的单件对象；
° 在单件模式中，通常由Instance()或GetInstance()方法负责对象的创建，该方法应保证每个需要（单件）对象的客户端均能访问。
3. 单件模式结构实现
3.1 单件模式实现要点
◊ 单件类有一个私有的无参构造函数，防止被其他类实例化。
◊ 单件类不能被继承，使用sealed修饰。
◊ 单件类使用静态的变量保存单实例的引用。
◊ 单件类使用公有静态方法获取单一实例的引用，如果实例为null即创建一个。
3.2 C#代码
（1）非线程安全
主要实现原理：在不考虑并发的情况下，通过以下2点实现单一实例。
(a) 静态变量和静态方法在内存中唯一。
(b) 私有构造函数确保不能通过调用构造函数来生成实例。
Singleton.cs
using System; using System.Collections.Generic; using System.Text; namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural { /// <summary> /// 单件模式实现方式：由于该实现方式非线程安全，在实际应用中不推荐使用。 /// </summary> public sealed class Singleton { // 定义一个静态变量来保存类的实例 private static Singleton _instance; // 私有构造函数，防止通过new实例化对象 private Singleton() { } /// <summary> /// 定义公有静态方法，获取实例，并加入判断，保证实例只被创建一次 /// </summary> /// <returns></returns> public static Singleton Instance() { // 使用延迟初始化 // 若类的实例不存在则创建实例，若存在则返回实例 // 注: 非线程安全 if (_instance == null) { _instance = new Singleton(); } return _instance; } } }
Program.cs
using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural; namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern { class Program { static void Main(string[] args) { // 创建一个实例s1 Singleton s1 = Singleton.Instance(); // 创建一个实例s2 Singleton s2 = Singleton.Instance(); if (s1 == s2) { Console.WriteLine("对象为相同实例"); } } } }
运行输出：
对象为相同实例
请按任意键继续. . .注：以上的实现方式适用于单线程环境，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”的原则。
多线程测试：
using System; using System.Collections.Generic; using System.Text; using System.Threading; namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural { /// <summary> /// 单件模式实现方式：由于该实现方式非线程安全，在实际应用中不推荐使用。 /// </summary> public sealed class Singleton { // 定义一个静态变量来保存类的实例 private static Singleton _instance; // 私有构造函数，防止通过new实例化对象 private Singleton() { } /// <summary> /// 定义公有静态方法，获取实例，并加入判断，保证实例只被创建一次 /// </summary> /// <returns></returns> public static Singleton Instance() { // 使用延迟初始化 // 若类的实例不存在则创建实例，若存在则返回实例 // 注: 非线程安全 if (_instance == null) { Thread.Sleep(1000); // 模拟线程阻塞 _instance = new Singleton(); } return _instance; } } }
using System; using System.Threading; using Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural; namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern { class Program { static void Main(string[] args) { Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(Display)); t1.Start(); Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(Display)); t2.Start(); } public static void Display() { Singleton s = Singleton.Instance(); Console.WriteLine("Singleton：" + s.GetHashCode()); } } }
运行结果：
Singleton：63835064 Singleton：6044116
（2）简单线程安全
using System; using System.Collections.Generic; using System.Text; namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural { /// <summary> /// 单件模式实现方式：简单线程安全。 /// </summary> public sealed class Singleton { // 定义一个静态变量来保存类的实例 private static Singleton _instance; // 定义一个标识确保线程同步 private static readonly object _syncLock = new object(); // 私有构造函数，防止通过new实例化对象 private Singleton() { } /// <summary> /// 定义公有静态方法，获取实例，并加入判断，保证实例只被创建一次 /// </summary> /// <returns></returns> public static Singleton Instance() { // 当第一个线程运行到这里时，此时会对_syncLock对象 "加锁"， // 当第二个线程运行该方法时，首先检测到_syncLock对象为"加锁"状态，该线程就会挂起等待第一个线程解锁 // lock语句运行完之后（即线程运行完之后）会对该对象"解锁" lock (_syncLock) { // 使用延迟初始化 // 若类的实例不存在则创建实例，若存在则返回实例 if (_instance == null) { _instance = new Singleton(); } } return _instance; } } }
以上方式的实现方式是线程安全的，首先创建了一个静态只读的进程辅助对象，由于lock是确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不能进入临界区（同步操作）。如果其他线程试图进入锁定的代码，则它将一直等待，直到该对象被释放。从而确保在多线程下不会创建多个对象实例了。
但这种实现方式要进行同步操作，将影响系统性能的瓶颈和增加了额外的开销。
（3）双重锁定线程安全
在上面简单线程安全代码中，对于每个线程都会对线程辅助对象locker加锁之后再判断实例是否存在。
对于这个操作完全没有必要的，因为当第一个线程创建了该类的实例之后，后面的线程此时只需要直接判断（uniqueInstance==null）为假，而不必要对线程辅助对象加锁之后再去判断，所以上面的实现方式增加了额外的开销，损失了性能。
为了改进上面实现方式的缺陷，只需要在lock语句前面加一句（uniqueInstance==null）的判断即可避免锁所增加的额外开销，这种实现方式称为“双重锁定”。
using System; using System.Collections.Generic; using System.Text; namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural { /// <summary> /// 单件模式实现方式：双重锁定线程安全。 /// </summary> public sealed class Singleton { // 定义一个静态变量来保存类的实例 private static Singleton _instance; // 定义一个标识确保线程同步 private static readonly object _syncLock = new object(); // 私有构造函数，防止通过new实例化对象 private Singleton() { } /// <summary> /// 定义公有静态方法，获取实例，并加入判断，保证实例只被创建一次 /// </summary> /// <returns></returns> public static Singleton Instance() { // 当第一个线程运行到这里时，此时会对_syncLock对象 "加锁"， // 当第二个线程运行该方法时，首先检测到_syncLock对象为"加锁"状态，该线程就会挂起等待第一个线程解锁 // lock语句运行完之后（即线程运行完之后）会对该对象"解锁" // 双重锁定只需要一句判断即可 if (_instance == null) { lock (_syncLock) { // 使用延迟初始化 // 若类的实例不存在则创建实例，若存在则返回实例 if (_instance == null) { _instance = new Singleton(); } } } return _instance; } } }
NUnit测试：
using System; using System.Collections.Generic; using System.Reflection; using System.Text; using Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural; using NUnit.Framework; namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Tests { [TestFixture] public class SingletonTests { [Test] public void TestCreateSingleton() { Singleton s1 = Singleton.Instance(); Singleton s2 = Singleton.Instance(); Assert.AreSame(s1, s2); } [Test] public void TestNoPublicConstructors() { Type singleton = typeof(Singleton); ConstructorInfo[] ctrs = singleton.GetConstructors(); bool hasPublicConstructor = false; foreach (ConstructorInfo c in ctrs) { if (c.IsPublic) { hasPublicConstructor = true; break; } } Assert.IsFalse(hasPublicConstructor); } } }
Microsoft.VisualStudio.TestTools.UnitTesting测试：
using System; using System.Reflection; using Microsoft.VisualStudio.TestTools.UnitTesting; using Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Structural; namespace Libing.DesignPatterns.SingletonPattern.Tests { [TestClass] public class SingletonTests { [TestMethod] public void TestCreateSingleton() { Singleton s1 = Singleton.Instance(); Singleton s2 = Singleton.Instance(); Assert.AreSame(s1, s2); } [TestMethod] public void TestNoPublicConstructors() { Type singleton = typeof(Singleton); ConstructorInfo[] ctrs = singleton.GetConstructors(); bool hasPublicConstructor = false; foreach (ConstructorInfo c in ctrs) { if (c.IsPublic) { hasPublicConstructor = true; break; } } Assert.IsFalse(hasPublicConstructor); } } }
4. 单件模式应用分析
4.1 单件模式使用注意点
（1）不要使用单例模式存取全局变量。这违背了单例模式的用意，最好放到对应类的静态成员中。
（2）不要将数据库连接做成单例，因为一个系统可能会与数据库有多个连接，并且在有连接池的情况下，应当尽可能及时释放连接。Singleton模式由于使用静态成员存储类实例，所以可能会造成资源无法及时释放。
4.2 单件模式适用情形
（1）当类只能有一个实例而且客户可以从一个众所周知的访问点访问时；
（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适用一个扩展的实例时。
