Singleton模式 Singleton（譯為單件或單態）模式是設計模式中比較簡單而常用的模式。
有些時候在整個應用程序中，會要求某個類有且只有一個實例，這個時候可以采用Singleton模式進行設計。用Singleton模式設計的類不僅能保證在應用中只有一個實例，而且提供了一種非全局變量的方法進行全局訪問，稱為全局訪問點，這樣對於沒有全局變量概念的純面向對象語言來說是非常方便的，比如C#。
本文用一個計數器的例子來描述在C#中如何使用Singleton模式：計數的值設計為計數器類的一個私有成員變量，它被4個不同的線程進行讀寫操作，為保證計數的正確性，在整個應用當中必然要求計數器類的實例是唯一的。
Singleton的實現方式 首先看看教科書方式的Singleton標准實現的兩種方法，以下用的是類C#偽代碼：
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模式的實現有兩個技巧：一是使用靜態成員變量保存“全局”的實例，確保了唯一性，使用靜態的成員方法instance() 代替 new關鍵字來獲取該類的實例，達到全局可見的效果。二是將構造方法設置成為private，如果使用new關鍵字創建類的實例，則編譯報錯，以防編程時候筆誤。
上面方法二的初始化方式稱為lazy initialization，是在第一次需要實例的時候才創建類的實例，與方法一中類的實例不管用不用一直都有相比，方法二更加節省系統資源。但是方法二在多線程應用中有時會出現多個實例化的現象。
假設這裡有2個線程：主線程和線程1，在創建類的實例的時候可能會遇到一些原因阻塞一段時間（比如網絡速度或者需要等待某些正在使用的資源的釋放），此時的運行情況如下：
主線程首先去調用instance()試圖獲得類的實例，instance()成員方法判斷該類沒有創建唯一實例，於是開始創建實例。由於一些因素，主線程不能馬上創建成功，而需要等待一些時間。此時線程1也去調用instance()試圖獲得該類的實例，因為此時實例還未被主線程成功創建，因此線程1又開始創建新實例。結果是兩個線程分別創建了兩次實例，對於計數器類來說，就會導致計數的值被重置，與Singleton的初衷違背。解決這個問題的辦法是同步。
下面看看本文的計數器的例子的實現：
使用方法一：
using System;
using System.Threading;
namespace csPattern.Singleton
{
public class Counter
{
static Counter uniCounter = new Counter(); //存儲唯一的實例。
private int totNum = 0; //存儲計數值。
private Counter()
{
Thread.Sleep(100); //這裡假設因為某種因素而耽擱了100毫秒。
//在非lazy initialization 的情況下, 不會影響到計數。.
}
static public Counter instance()
{
return uniCounter;
}
public void Inc() { totNum ++;} //計數加1。
public int GetCounter() { return totNum;} //獲得當前計數值。
}
}
以下是調用Counter類的客戶程序，在這裡我們定義了四個線程同時使用計數器，每個線程使用4次，最後得到的正確結果應該是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("線程{0}報告: 當前counter為: {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(); //線程0也只執行和其他線程相同的工作。
}
}
}
以下為Main函數，本程序的測試入口：
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();
}
}
}
執行結果如下：
線程Thread 1報告: 當前counter為: 2
線程Thread 1報告: 當前counter為: 4
線程Thread 1報告: 當前counter為: 5
線程Thread 1報告: 當前counter為: 6
線程Thread 3報告: 當前counter為: 7
線程Thread 3報告: 當前counter為: 8
線程Thread 3報告: 當前counter為: 9
線程Thread 3報告: 當前counter為: 10
線程Thread 0報告: 當前counter為: 1
線程Thread 0報告: 當前counter為: 11
線程Thread 0報告: 當前counter為: 12
線程Thread 0報告: 當前counter為: 13
線程Thread 2報告: 當前counter為: 3
線程Thread 2報告: 當前counter為: 14
線程Thread 2報告: 當前counter為: 15
線程Thread 2報告: 當前counter為: 16
由於系統線程調度的不同，每次的執行結果也不同，但是最終結果一定是16。
方法一中由於實例一開始就被創建，所以instance()方法無需再去判斷是否已經存在唯一的實例，而返回該實例，所以不會出現計數器類多次實例化的問題。
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); //假設多線程的時候因某種原因阻塞100毫秒
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] //方法的同步屬性
static public Counter_lazy instance()
{
if (null == uniCounter)
{
uniCounter = new Counter_lazy();
}
return uniCounter;
}
public void Inc() { totNum ++;}
public int GetCounter() { return totNum;}
}
}
不知道大家有沒有注意到instance()方法上方的[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] 語句，他就是同步的要點，他指定了instance()方法同時只能被一個線程使用，這樣就避免了線程0調用instance()創建完成實例前線程1就來調用instance()試圖獲得該實例。
根據MSDN的提示，也可以使用lock關鍵字進行線程的加鎖，代碼如下：
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); //假設多線程的時候因某種原因阻塞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()是對一個對象加互斥鎖，只允許一個線程訪問其後大括號中語句塊，直到該語句塊的代碼執行完才解鎖，解鎖後才允許其他的線程執行其語句塊。
還可以使用Mutex類進行同步，定義private static Mutex mut = new Mutex();後，修改instance()如下，同樣可以得到正確的結果：
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戶程序，去掉Counter_lazy.intance()的注釋，並將Counter.intance()注釋。
singleton模式還可以拓展，只要稍加修改，就可以限制在某個應用中只能允許m個實例存在，而且為m個實例提供全局透明的訪問方法。
