Singleton设计模式的C#实现
电子科技大学 张申 (handi@sina.com)
关键字：singleton 设计模式 同步 C#
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个实例存在，而且为m个实例提供全局透明的访问方法。
关键字：singleton 设计模式 同步 C#
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个实例存在，而且为m个实例提供全局透明的访问方法。
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