创建型模式之单例模式

定义与特点

单例（Singleton）模式的定义：指一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。
例如，Windows 中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。

单例模式有 3 个特点：

• 单例类只有一个实例对象；

• 该单例对象必须由单例类自行创建；

• 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点；

结构与实现

单例模式是设计模式中最简单的模式之一。通常，普通类的构造函数是公有的，外部类可以通过“new 构造函数()”来生成多个实例。但是，如果将类的构造函数设为私有的，外部类就无法调用该构造函数，也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例，并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。

单例模式的结构

单例模式的主要角色如下：

• 单例类（Singleton）：包含一个实例且能自行创建这个实例的类。

• 访问类（Client）：使用单例的类。

单例模式的实现

Singleton 模式通常有两种实现形式：懒汉式单例、饿汉式单例。

第 1 种：懒汉式单例

该模式的特点是类加载时没有生成单例，只有当第一次调用 Getlnstance 方法时才去创建这个单例。代码如下：

/// <summary>
/// 单例模式的实现-懒汉式单例
/// </summary>
public 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 locker = new object();

    // 定义私有构造函数，使外界不能创建该类实例
    private Singleton(){ }

    /// <summary>
    /// 定义公有方法提供一个全局访问点,同时你也可以定义公有属性来提供全局访问点
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static Singleton GetInstance()
    {
        // 如果类的实例不存在则锁定创建过程，否则直接返回
        if (instance == null)
        {
            lock (locker)
            {
                // 如果类的实例不存在则创建，否则直接返回
                if (instance == null)
                {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

第 2 种：饿汉式单例

该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例，保证在调用 GetInstance 方法之前单例已经存在了。代码如下：

/// <summary>
/// 单例模式的实现-饿汉式单例
/// </summary>
public class Singleton
{
    // 定义一个静态变量来保存类的实例
    private static Singleton instance=new Singleton();

    // 定义私有构造函数，使外界不能创建该类实例
    private Singleton() { }

    /// <summary>
    /// 定义公有方法提供一个全局访问点,同时你也可以定义公有属性来提供全局访问点
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static Singleton GetInstance()
    {
        return instance;
    }
}

应用场景

前面分析了单例模式的结构与特点，以下是它通常适用的场景的特点:

• 在应用场景中，某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。

• 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。

• 当某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。

扩展：多例模式

单例模式可扩展为多例（Multition）模式，这种模式可生成多个实例并保存在 List 中，客户需要时可随机获取，其结构图如图所示:

多例模式可分为以下两种：

• 有上限多例模式：多例类的实例数目有上限，并把实例的上限当做逻辑的一部分创造到了多例类的内部，这种多例模式叫做有上限多例模式。

• 无上限多例模式：多例类的实例数目并不需要有上限，实例数目并没有上限的多例模式就叫做无上限多例模式。