簡(jiǎn)介

單例指的是只能存在一個(gè)實(shí)例的類（在C#中，更準(zhǔn)確的說法是在每個(gè)AppDomain之中只能存在一個(gè)實(shí)例的類，它是軟件工程中使用最多的幾種模式之一。在第一個(gè)使用者創(chuàng)建了這個(gè)類的實(shí)例之后，其后需要使用這個(gè)類的就只能使用之前創(chuàng)建的實(shí)例，無法再創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例。通常情況下，單例會(huì)在第一次被使用時(shí)創(chuàng)建。本文會(huì)對(duì)C#中幾種單例的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行介紹，并分析它們之間的線程安全性和性能差異。

單例的實(shí)現(xiàn)方式有很多種，但從最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)（非延遲加載，非線程安全，效率低下），到可延遲加載，線程安全，且高效的實(shí)現(xiàn)，它們都有一些基本的共同點(diǎn)：

• 單例類都只有一個(gè)private的無參構(gòu)造函數(shù)
• 類聲明為sealed（不是必須的）
• 類中有一個(gè)靜態(tài)變量保存著所創(chuàng)建的實(shí)例的引用
• 單例類會(huì)提供一個(gè)靜態(tài)方法或?qū)傩詠矸祷貏?chuàng)建的實(shí)例的引用（eg.GetInstance）

幾種實(shí)現(xiàn)

一非線程安全

//Bad code! Do not use!
public sealed class Singleton
{
  private static Singleton instance = null;

  private Singleton()
  {

  }

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

這種方法不是線程安全的，會(huì)存在兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行if (instance == null)并且創(chuàng)建兩個(gè)不同的instance，后創(chuàng)建的會(huì)替換掉新創(chuàng)建的，導(dǎo)致之前拿到的reference為空。

二簡(jiǎn)單的線程安全實(shí)現(xiàn)

public sealed class Singleton
{
  private static Singleton instance = null;
  private static readonly object padlock = new object();

  Singleton()
  {
  }

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

相比較于實(shí)現(xiàn)一，這個(gè)版本加上了一個(gè)對(duì)instance的鎖，在調(diào)用instance之前要先對(duì)padlock上鎖，這樣就避免了實(shí)現(xiàn)一中的線程沖突，該實(shí)現(xiàn)自始至終只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)instance了。但是，由于每次調(diào)用Instance都會(huì)使用到鎖，而調(diào)用鎖的開銷較大，這個(gè)實(shí)現(xiàn)會(huì)有一定的性能損失。

注意這里我們使用的是新建一個(gè)private的object實(shí)例padlock來實(shí)現(xiàn)鎖操作，而不是直接對(duì)Singleton進(jìn)行上鎖。直接對(duì)類型上鎖會(huì)出現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫@個(gè)類型是public的，所以理論上它會(huì)在任何code里調(diào)用，直接對(duì)它上鎖會(huì)導(dǎo)致性能問題，甚至?xí)霈F(xiàn)死鎖情況。

Note: C#中，同一個(gè)線程是可以對(duì)一個(gè)object進(jìn)行多次上鎖的，但是不同線程之間如果同時(shí)上鎖，就可能會(huì)出現(xiàn)線程等待，或者嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)死鎖情況。因此，我們?cè)谑褂胠ock時(shí)，盡量選擇類中的私有變量上鎖，這樣可以避免上述情況發(fā)生。

三雙重驗(yàn)證的線程安全實(shí)現(xiàn)

public sealed calss Singleton
{
  private static Singleton instance = null;
  private static readonly object padlock = new object();

  Singleton()
  {
  }

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

在保證線程安全的同時(shí)，這個(gè)實(shí)現(xiàn)還避免了每次調(diào)用Instance都進(jìn)行l(wèi)ock操作，這會(huì)節(jié)約一定的時(shí)間。

但是，這種實(shí)現(xiàn)也有它的缺點(diǎn)：

1無法在Java中工作。（具體原因可以見原文，這邊沒怎么理解）

2程序員在自己實(shí)現(xiàn)時(shí)很容易出錯(cuò)。如果對(duì)這個(gè)模式的代碼進(jìn)行自己的修改，要倍加小心，因?yàn)閐ouble check的邏輯較為復(fù)雜，很容易出現(xiàn)思考不周而出錯(cuò)的情況。

四不用鎖的線程安全實(shí)現(xiàn)

public sealed class Singleton
{
  //在Singleton第一次被調(diào)用時(shí)會(huì)執(zhí)行instance的初始化
  private static readonly Singleton instance = new Singleton();

  //Explicit static consturctor to tell C# compiler 
  //not to mark type as beforefieldinit
  static Singleton()
  {
  }

  private Singleton()
  {
  }

  public static Singleton Instance
  {
    get
    {
      return instance;
    }
  }
}

這個(gè)實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，并沒有用到鎖，但是它仍然是線程安全的。這里使用了一個(gè)static，readonly的Singleton實(shí)例，它會(huì)在Singleton第一次被調(diào)用的時(shí)候新建一個(gè)instance，這里新建時(shí)候的線程安全保障是由.NET直接控制的，我們可以認(rèn)為它是一個(gè)原子操作，并且在一個(gè)AppDomaing中它只會(huì)被創(chuàng)建一次。

這種實(shí)現(xiàn)也有一些缺點(diǎn):

1instance被創(chuàng)建的時(shí)機(jī)不明，任何對(duì)Singleton的調(diào)用都會(huì)提前創(chuàng)建instance
2static構(gòu)造函數(shù)的循環(huán)調(diào)用。如有A，B兩個(gè)類，A的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用了B，而B的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)中又調(diào)用了A，這兩個(gè)就會(huì)形成一個(gè)循環(huán)調(diào)用，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致程序崩潰。
3我們需要手動(dòng)添加Singleton的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)來確保Singleton類型不會(huì)被自動(dòng)加上beforefieldinit這個(gè)Attribute，以此來確保instance會(huì)在第一次調(diào)用Singleton時(shí)才被創(chuàng)建。
4readonly的屬性無法在運(yùn)行時(shí)改變，如果我們需要在程序運(yùn)行時(shí)dispose這個(gè)instance再重新創(chuàng)建一個(gè)新的instance，這種實(shí)現(xiàn)方法就無法滿足。

五完全延遲加載實(shí)現(xiàn)（fully lazy instantiation）

public sealed class Singleton
{
  private Singleton()
  {
  }

  public static Singleton Instance 
  {
    get
    {
      return Nested.instance;
    }
  }

  private class Nested
  {
    // Explicit static constructor to tell C# compiler
    // not to mark type as beforefieldinit
    static Nested()
    {
    }

    internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
  }
}

實(shí)現(xiàn)五是實(shí)現(xiàn)四的包裝。它確保了instance只會(huì)在Instance的get方法里面調(diào)用，且只會(huì)在第一次調(diào)用前初始化。它是實(shí)現(xiàn)四的確保延遲加載的版本。

六 使用.NET4的Lazy<T>類型

public sealed class Singleton
{
  private static readonly Lazy<Singleton> lazy = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());

  public static Singleton Instance 
  {
    get 
    {
      return lazy.Value;
    }
  }

  private Singleton()
  {
  }
}

.NET4或以上的版本支持Lazy<T>來實(shí)現(xiàn)延遲加載，它用最簡(jiǎn)潔的代碼保證了單例的線程安全和延遲加載特性。

性能差異

之前的實(shí)現(xiàn)中，我們都在強(qiáng)調(diào)代碼的線程安全性和延遲加載。然而在實(shí)際使用中，如果你的單例類的初始化不是一個(gè)很耗時(shí)的操作或者初始化順序不會(huì)導(dǎo)致bug，延遲初始化是一個(gè)可有可無的特性，因?yàn)槌跏蓟加玫臅r(shí)間是可以忽略不計(jì)的。

在實(shí)際使用場(chǎng)景中，如果你的單例實(shí)例會(huì)被頻繁得調(diào)用（如在一個(gè)循環(huán)中），那么為了保證線程安全而帶來的性能消耗是更值得關(guān)注的地方。

為了比較這幾種實(shí)現(xiàn)的性能，我做了一個(gè)小測(cè)試，循環(huán)拿這些實(shí)現(xiàn)中的單例9億次，每次調(diào)用instance的方法執(zhí)行一個(gè)count++操作，每隔一百萬輸出一次，運(yùn)行環(huán)境是MBP上的Visual Studio for Mac。結(jié)果如下：

測(cè)試方法并不嚴(yán)謹(jǐn)，但是仍然可以看出，方法二由于每次都需要調(diào)用lock，是最耗時(shí)的，幾乎是其他幾個(gè)的三倍。排第二的則是使用.NET Lazy類型的實(shí)現(xiàn)，比其他多了二分之一左右。其余的四個(gè)，則沒有明顯區(qū)別。

總結(jié)

總體來說，上面說的多種單例實(shí)現(xiàn)方式在現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)性能下差距都不大，除非你需要特別大并發(fā)量的調(diào)用instance，才會(huì)需要去考慮鎖的性能問題。

對(duì)于一般的開發(fā)者來說，使用方法二或者方法六來實(shí)現(xiàn)單例已經(jīng)是足夠好的了，方法四和五則需要對(duì)C#運(yùn)行流程有一個(gè)較好的認(rèn)識(shí)，并且實(shí)現(xiàn)時(shí)需要掌握一定技巧，并且他們節(jié)省的時(shí)間仍然是有限的。

引用

本文大部分是翻譯自Implementing the Singleton Pattern in C#，加上了一部分自己的理解。這是我搜索static readonly field initializer vs static constructor initialization時(shí)看到的，在這里對(duì)兩位作者表示感謝。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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