设计模式之Singleton单态模式

Singleton模式主要作用是保证在应用程序中，一个类只有一个实例存在。在很多操作中，比如建立目录 数据库连接都需要这样的单线程操作。还有, singleton能够被状态化; 这样，多个单态类在一起就可以作为一个状态仓库一样向外提供服务，比如，你要论坛中的帖子计数器，每次浏览一次需要计数，单态类能否保持住这个计数，并且能synchronize的安全自动加1，如果你要把这个数字永久保存到数据库，你可以在不修改单态接口的情况下方便的做到。另外方面，Singleton也能够被无状态化。提供工具性质的功能，

1、模式分类

从目的来看主要有：

（1）创建型（Creational）模式：负责对象创建

（2）结构型（Structural）模式：处理类与对象间的组合

（3）行为型（Behavioral）模式：类与对象交互中的职责分配

从范围来看：

（1）类模式处理类与子类的静态关系

（2）对象模式处理对象间的动态关系

2、动机（Motivation）

在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率。

如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例？

这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任

3、意图（Intent）

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点 ——《设计模式GoF》

4、结构（Structure）

5、单线程Singleton模式实现

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

私有的实例构造器是为了屏蔽默认产生的构造器，让类的使用者无法调用构造器。

单线程Singleton模式的几个要点

（1）Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。

（2）Singleton模式一般不要支持ICloneable接口，因为这可能会导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背。

（3）Singleton模式一般不要支持序列化，因为这也有可能导致多个对象实例，同样与Singleton模式的初衷违背。

（4）Singleton模式只考虑到了对象创建的管理，没有考虑对象销毁的管理。就支持垃圾回收平台和对象的开销来讲，我们一般没有必要对其销毁进行特殊的管理。

不能应对多线程环境：在多线程环境下，使用Singleton模式仍然有可能得到Singleton类的多个实例对象。

多线程Singleton模式实现

class Singleton
{
    private static volatile singleton instance = null;
    private static object lockHelper = new object();
    private Singleton() {}

    public static Singleton Instance()
    {
        if (instance == null)
        {
            lock (lockHelper)
            {
                if(instance == null)
                {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

关于volatile修饰：编译器在编译代码的时候会对代码的顺序进行微调，用volatile修饰保证了严格意义的顺序。一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。

使用.NET类型初始化机制实现多线程Singleton模式

class Sigleton
{
    public static readonly Singleton Instance = new Singleton();
    private Singleton() { }
}

以上是内联初始化（生成的同时进行初始化）的单例模式，它等同于：

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

内联初始化其实是把静态的字段放到静态构造器去初始化。反编译出内联初始化的代码可以看出以上结论，反编译出的内联初始化代码如下：

.nethod private hidebysig specialnane rtspecialnane static
           void  .cctor() cil nanaged
{
    //Code size                           11(0xb)
    .naxstack        8
    IL_0000:  newobj    instance void Singleton::.ctor()
    IL_0005:  stfld          class Singleton Singleton::Instance
    IL_000a:  ret 
}  //end of method Singleton :: .cctor

只要想访问静态字段，必定已经在之前执行了静态构造器。这样也能够精确地保证使用的时候一定能拿到实例，如果不使用也不会实例化对象，也就是延时加载的功能。他同样能够支持多线程环境，因为只可能有一个线程执行静态构造器，不可能有多个线程去执行静态构造器，感觉就是程序已经自动为我们加锁了。

它的一点弊端就是它不支持参数化的实例化方法。在.NET里静态构造器只能声明一个，而且必须是无参数的，私有的。因此这种方式只适用于无参数的构造器。

Singleton模式扩展

将一个实例扩展到n个实例，例如对象池的实现。（n不是指无限个实例，而是固定的某个数）

将new构造器的调用转移到其他类中，例如多个类协同工作环境中，某个局部环境只需要拥有某个类的一个实例。

理解和扩展Singleton模式的核心是“如何控制用户使用new对一个类的实例构造器的任意调用”。

.NET框架中的Singleton应用

MyClass c1 = new MyClass();
MyClass c2 = new MyClass();

Type t1 = c1.GetType();
Type t2 = c2.GetType();

t1==t2 这说明，GetType方法获得的Type实例都是单例。

HttpContext.Current也是如此，他们是通过Singleton的扩展方式实现的，他们的单例也并不是覆盖所有领域，只是针对某些局部领域中，是单例的，不同的领域中还是会有不同的实例。