设计模式(创建型模式)——单例模式
1.定义
保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。
2.适用性
1)当类只能有一个实例而客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。
2)当这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的,并且客户应该无需更改代码就能使用一个扩展的实例时。
3.结构
图1 单例模式类图
注:
Singleton:定义一个Instance操作,允许客户访问它的唯一实例。Instance是一个类操作(C#中为静态方法),Singleton负责创建它自己的唯一实例。
4.实现方法
1)经典模式
静态变量uniqueInstance存储唯一实例。公有静态方法GetInstance提供访问SingletonFirst的全局访问点,由于除了GetInstance方法外,类的成员均为私有的,所以GetInstance提供的为唯一访问方式。在GetInstance()方法中,对uniqueInstance是否为null做了判断,因此使得对象只能被实例化一次。
1 public class SingletonFirst
2 {
3 private static SingletonFirst uniqueInstance;
4 private SingletonFirst() { }
5
6 public static SingletonFirst GetInstance()
7 {
8 if(uniqueInstance==null)
9 {
10 uniqueInstance = new SingletonFirst();
11 }
12 return uniqueInstance;
13 }
14 }
2)使用属性而不是方法
这种实现方式与第一种方式的区别在于客户通过属性获得对象实例。
1 public class SingletonSecond
2 {
3 private static SingletonSecond uniqueInstance;
4 private SingletonSecond() { }
5 public static SingletonSecond Instance
6 {
7 get
8 {
9 if (uniqueInstance == null)
10 {
11 uniqueInstance = new SingletonSecond();
12 }
13 return uniqueInstance;
14 }
15 }
16 }
3)只能获得一次单例
这种单例模式的实现方式较之前几种有较大的差别,客户不能反复调用Instance属性获得实例;客户要将第一次获得的实例赋给一个变量,之后若要访问实例,则只能通过使用这一变量的间接方式。
1 public class SingletonThird
2 {
3 private static bool instanceFlag = false;
4 private SingletonThird() { }
5
6 public static SingletonThird Instance
7 {
8 get
9 {
10 if (!instanceFlag)
11 {
12 return new SingletonThird();
13 }
14 else
15 {
16 return null;
17 }
18 }
19 }
20 }
4)支持并发访问
这种单例模式的实现方式与第一种基本一致,只不过在声明uniqueInstanc的同时完成对象的实例化。优点是静态字段在类首次被使用前初始化,可以防止并发访问。
1 public class SingletonFourth
2 {
3 private static readonly SingletonFourth uniqueInstance = new SingletonFourth();
4 private SingletonFourth() { }
5
6 public static SingletonFourth GetInstance()
7 {
8 return uniqueInstance;
9 }
10 }
5)使用私有静态构造器
这种方式使用了私有的静态构造器。静态构造器在类第一次被访问前由CLR自动调用,达到防止并发访问的目的。使用静态构造器而不是静态初始化器的好处是:可以在静态构造器中处理异常。
1 public class SingletonFifth
2 {
3 private static readonly SingletonFifth uniqueInstance;
4 static SingletonFifth()
5 {
6 uniqueInstance = new SingletonFifth();
7 }
8
9 public static SingletonFifth GetInstance()
10 {
11 return uniqueInstance;
12 }
13 }
6)使用锁
这种方式采用加锁的办法来防止并发访问。缺点就是锁的开销比较大,如果用户对于性能比较关心,那么不建议采用这种方式。也可以考虑其他开销比较小的同步机制。
1 public class SingletonSixth
2 {
3 private static SingletonSixth uniqueInstance;
4 private static Object lockObj = new object();
5 private SingletonSixth() { }
6
7 public static SingletonSixth GetInstance()
8 {
9 lock (lockObj)
10 {
11 if (uniqueInstance == null)
12 {
13 uniqueInstance = new SingletonSixth();
14 }
15 return uniqueInstance;
16 }
17 }
18 }
7)延迟初始化
使用Lazy<T>达到延迟初始化的目的,但这种方式是非线程安全的。
1 public class SingletonSeventh
2 {
3 private static readonly Lazy<SingletonSeventh> lazy =
4 new Lazy<SingletonSeventh>(() => new SingletonSeventh());
5 private SingletonSeventh(){}
6
7 public static SingletonSeventh Instance
8 {
9 get
10 {
11 return lazy.Value;
12 }
13 }
14 }
8)最简洁的方式
这种方法与标准的单例模式结构不符,但这种方式的确实现了单例模式, 符合单例模式的定义:只有一个实例且提供一个全局访问点uniqueInstance静态变量在声明时初始化,同时构造器可访问性为private,确保类不允许在外部实例化uniqueInstance变量的可访问性为public,所以全局的访问点就是uniqueInstance。
1 public class SingletonEighth
2 {
3 public static readonly SingletonEighth uniqueInstance = new SingletonEighth();
4 private SingletonEighth()
5 {
6 //这里执行初始化工作或其他任务
7 }
8 }
5.扩展单例模式:使类可以有几个实例
1 public class SingletonExpansion
2 {
3 private static int count = 0;
4 private static SingletonExpansion uniqueInstance;
5 private SingletonExpansion(){}
6
7 public static SingletonExpansion Instance
8 {
9 get
10 {
11 if (count < 2)
12 {
13 uniqueInstance = new SingletonExpansion();
14 count++;
15 return uniqueInstance;
16 }
17 else
18 {
19 return uniqueInstance;
20 }
21 }
22 }
23 }
6 概念辨析
1)使用静态成员与使用单例模式之间的比较:
相同点:
- 使用静态成员与使用单例模式都可以获得类的唯一实例。
- 使用静态成员与使用单例模式都可以将数据一次性地加载到内存中,已提高系统运行效率。
不同点:
- 使用单例模式而不使用静态成员可能会增加代码的复杂度。
- 单例模式提供了更多的控制机制。可以在构造器中处理数据或执行其他操作;可以控制类的状态,根据类的状态完成适当的操作。
- 在单例模式中运用接口,使得用户可以扩展程序而不比修改代码,这也符合开放封闭原则(OCP)。
2)一个类只有唯一的实例不一定就运用了单例模式
单例模式的两个要素:
- 有且仅有一个实例。
- 必须提供一个全局的访问点。
上述两个条件缺一不可,否则就不是单例模式。
7 实现方式总结
1)实现了延迟初始化的为:SingletonFirst,SingletonSecond,SingletonThird,SingletonSeventh。
延迟初始化的好处:若对象占用资源(时间上创建时间比较长或空间上耗费内存较大)比较大,或程序的执行过程中从未使用到,那么延迟初始化可以避免耗费资源。如果对象并不占用较多的资源那么采用哪种方式都无所谓了。
2)线程安全的:SingletonFourth,SingletonFifth,SingletonSixth。
多线程编程中其他几种实现方法可能会有多个实例。
8 .NET Framework 中的单例模式
1) Microsoft.SqlServer.Server.SmiContextFactory
此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同
源码概要
1 namespace Microsoft.SqlServer.Server {
2
3 using System;
4
5 using System.Data.Common;
6
7 using System.Data.SqlClient;
8
9 using System.Diagnostics;
10
11 sealed internal class SmiContextFactory
12 {
13
14 public static readonly SmiContextFactory Instance = new SmiContextFactory();
15 //省略一些变量
16 private SmiContextFactory() {
17
18 //省略了具体实现}
19
20 //省略其他方法
21
22 }
23 }
2) sealed internal class SqlConnectionFactory
此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同
源码概要
1 namespace System.Data.SqlClient
2 {
3
4 using System;
5
6 using System.Data.Common;
7
8 //省略其他using
9
10 using Microsoft.SqlServer.Server;
11 sealed internal class SqlConnectionFactory : DbConnectionFactory {
12 private SqlConnectionFactory() :
13 base(SqlPerformanceCounters.SingletonInstance) {}
14
15 public static readonly SqlConnectionFactory SingletonInstance = new SqlConnectionFactory();
16 //省略以下其他代码
17 }
3) sealed internal class SqlPerformanceCounters
此方法实现方式与SingletonEighth的实现方式相同
源码概要
1 namespace System.Data.SqlClient
2 {
3
4 using System;
5
6 using System.Data.Common;
7
8 //省略其他using语句
9
10 using Microsoft.SqlServer.Server;
11
12 sealed internal class SqlPerformanceCounters :
13 DbConnectionPoolCounters {
14
15 private const string CategoryName = ".NET Data Provider for SqlServer";
16
17 private const string CategoryHelp = "Counters for System.Data.SqlClient";
18
19
20 public static readonly SqlPerformanceCounters SingletonInstance = new SqlPerformanceCounters();
21
22 [System.Diagnostics.PerformanceCounterPermissionAttribute
23 (System.Security.Permissions.SecurityAction.Assert, PermissionAccess=PerformanceCounterPermissionAccess.Write, MachineName=".", CategoryName=CategoryName)]
24
25 private SqlPerformanceCounters() : base (CategoryName, CategoryHelp) {
26 }
27
28 }
29 }
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