1           Singleton模式。

Singleton（译为单件或单态）模式是设计模式中比较简单而常用的模式。

有些时候在整个应用程序中，会要求某个类有且只有一个实例，这个时候可以采用Singleton模式进行设计。用Singleton模式设计的类不仅能保证在应用中只有一个实例，而且提供了一种非全局变量的方法进行全局访问，称为全局访问点，这样对于没有全局变量概念的纯面向对象语言来说是非常方便的，比如C#。

本文用一个计数器的例子来描述在C#中如何使用Singleton模式：计数的值设计为计数器类的一个私有成员变量，它被4个不同的线程进行读写操作，为保证计数的正确性，在整个应用当中必然要求计数器类的实例是唯一的。



2           Singleton的实现方式。

首先看看教科书方式的Singleton标准实现的两种方法，以下用的是类C#伪代码：

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模式的实现有两个技巧：一是使用静态成员变量保存“全局”的实例，确保了唯一性，使用静态的成员方法instance() 代替 new关键字来获取该类的实例，达到全局可见的效果。二是将构造方法设置成为private，如果使用new关键字创建类的实例，则编译报错，以防编程时候笔误。

上面方法二的初始化方式称为lazy initialization，是在第一次需要实例的时候才创建类的实例，与方法一中类的实例不管用不用一直都有相比，方法二更加节省系统资源。但是方法二在多线程应用中有时会出现多个实例化的现象。

假设这里有2个线程：主线程和线程1，在创建类的实例的时候可能会遇到一些原因阻塞一段时间（比如网络速度或者需要等待某些正在使用的资源的释放），此时的运行情况如下：

主线程首先去调用instance()试图获得类的实例，instance()成员方法判断该类没有创建唯一实例，于是开始创建实例。由于一些因素，主线程不能马上创建成功，而需要等待一些时间。此时线程1也去调用instance()试图获得该类的实例，因为此时实例还未被主线程成功创建，因此线程1又开始创建新实例。结果是两个线程分别创建了两次实例，对于计数器类来说，就会导致计数的值被重置，与Singleton的初衷违背。解决这个问题的办法是同步。

下面看看本文的计数器的例子的实现：



使用方法一：

using System;

using System.Threading;

namespace csPattern.Singleton

{

     public class Counter

     {

                 static Counter uniCounter = new Counter();          //存储唯一的实例。

                 private int totNum = 0;    //存储计数值。

                 private Counter()

                 {

                             Thread.Sleep(100); //这里假设因为某种因素而耽搁了100毫秒。

//在非lazy initialization 的情况下, 不会影响到计数。.

                 }

                 static public Counter instance()

                 {

                             return uniCounter;

                 }

                 public void Inc() { totNum ++;}  //计数加1。

                 public int GetCounter() { return totNum;} //获得当前计数值。

     }

}



以下是调用Counter类的客户程序，在这里我们定义了四个线程同时使用计数器，每个线程使用4次，最后得到的正确结果应该是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("线程{0}报告: 当前counter为: {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(); //线程0也只执行和其他线程相同的工作。

                 }

     }

}

以下为Main函数，本程序的测试入口：

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();

                 }

     }

}



执行结果如下：

线程Thread 1报告: 当前counter为: 2

线程Thread 1报告: 当前counter为: 4

线程Thread 1报告: 当前counter为: 5

线程Thread 1报告: 当前counter为: 6

线程Thread 3报告: 当前counter为: 7

线程Thread 3报告: 当前counter为: 8

线程Thread 3报告: 当前counter为: 9

线程Thread 3报告: 当前counter为: 10

线程Thread 0报告: 当前counter为: 1

线程Thread 0报告: 当前counter为: 11

线程Thread 0报告: 当前counter为: 12

线程Thread 0报告: 当前counter为: 13

线程Thread 2报告: 当前counter为: 3

线程Thread 2报告: 当前counter为: 14

线程Thread 2报告: 当前counter为: 15

线程Thread 2报告: 当前counter为: 16



由于系统线程调度的不同，每次的执行结果也不同，但是最终结果一定是16。

方法一中由于实例一开始就被创建，所以instance()方法无需再去判断是否已经存在唯一的实例，而返回该实例，所以不会出现计数器类多次实例化的问题。



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);         //假设多线程的时候因某种原因阻塞100毫秒

                 }

                 [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] //方法的同步属性

                 static public Counter_lazy instance()

                 {

                             if (null == uniCounter)

                             {

                                         uniCounter = new Counter_lazy();

                             }

                             return uniCounter;

                 }

                 public void Inc() { totNum ++;}

                 public int GetCounter() { return totNum;}

     }

}

不知道大家有没有注意到instance()方法上方的[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] 语句，他就是同步的要点，他指定了instance()方法同时只能被一个线程使用，这样就避免了线程0调用instance()创建完成实例前线程1就来调用instance()试图获得该实例。

根据MSDN的提示，也可以使用lock关键字进行线程的加锁，代码如下：

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);         //假设多线程的时候因某种原因阻塞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()是对一个对象加互斥锁，只允许一个线程访问其后大括号中语句块，直到该语句块的代码执行完才解锁，解锁后才允许其他的线程执行其语句块。

还可以使用Mutex类进行同步，定义private static Mutex mut = new Mutex();后，修改instance()如下，同样可以得到正确的结果：

                 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户程序，去掉Counter_lazy.intance()的注释，并将Counter.intance()注释。

singleton模式还可以拓展，只要稍加修改，就可以限制在某个应用中只能允许m个实例存