一、什么是單例模式

單例模式是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式，其定義是單例對(duì)象的類只能允許一個(gè)實(shí)例存在。

許多時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)只需要擁有一個(gè)的全局對(duì)象，這樣有利于我們協(xié)調(diào)系統(tǒng)整體的行為。比如在某個(gè)服務(wù)器程序中，該服務(wù)器的配置信息存放在一個(gè)文件中，這些配置數(shù)據(jù)由一個(gè)單例對(duì)象統(tǒng)一讀取，然后服務(wù)進(jìn)程中的其他對(duì)象再通過這個(gè)單例對(duì)象獲取這些配置信息。這種方式簡(jiǎn)化了在復(fù)雜環(huán)境下的配置管理。

單例的實(shí)現(xiàn)主要是通過以下兩個(gè)步驟：

1.將該類的構(gòu)造方法定義為私有方法，這樣其他處的代碼就無(wú)法通過調(diào)用該類的構(gòu)造方法來(lái)實(shí)例化該類的對(duì)象，只有通過該類提供的靜態(tài)方法來(lái)得到該類的唯一實(shí)例；

2.在該類內(nèi)提供一個(gè)靜態(tài)方法，當(dāng)我們調(diào)用這個(gè)方法時(shí)，如果類持有的引用不為空就返回這個(gè)引用，如果類保持的引用為空就創(chuàng)建該類的實(shí)例并將實(shí)例的引用賦予該類保持的引用。

二、單例模式的應(yīng)用場(chǎng)景

舉一個(gè)小例子，在我們的windows桌面上，我們打開了一個(gè)回收站，當(dāng)我們?cè)噲D再次打開一個(gè)新的回收站時(shí)，Windows系統(tǒng)并不會(huì)為你彈出一個(gè)新的回收站窗口。，也就是說在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)只維護(hù)一個(gè)回收站的實(shí)例。這就是一個(gè)典型的單例模式運(yùn)用。

繼續(xù)說回收站，我們?cè)趯?shí)際使用中并不存在需要同時(shí)打開兩個(gè)回收站窗口的必要性。假如我每次創(chuàng)建回收站時(shí)都需要消耗大量的資源，而每個(gè)回收站之間資源是共享的，那么在沒有必要多次重復(fù)創(chuàng)建該實(shí)例的情況下，創(chuàng)建了多個(gè)實(shí)例，這樣做就會(huì)給系統(tǒng)造成不必要的負(fù)擔(dān)，造成資源浪費(fèi)。

再舉一個(gè)例子，網(wǎng)站的計(jì)數(shù)器，一般也是采用單例模式實(shí)現(xiàn)，如果你存在多個(gè)計(jì)數(shù)器，每一個(gè)用戶的訪問都刷新計(jì)數(shù)器的值，這樣的話你的實(shí)計(jì)數(shù)的值是難以同步的。但是如果采用單例模式實(shí)現(xiàn)就不會(huì)存在這樣的問題，而且還可以避免線程安全問題。同樣多線程的線程池的設(shè)計(jì)一般也是采用單例模式，這是由于線程池需要方便對(duì)池中的線程進(jìn)行控制

同樣，對(duì)于一些應(yīng)用程序的日志應(yīng)用，或者web開發(fā)中讀取配置文件都適合使用單例模式，如HttpApplication 就是單例的典型應(yīng)用。

從上述的例子中我們可以總結(jié)出適合使用單例模式的場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)：

適用場(chǎng)景：

1.需要生成唯一序列的環(huán)境

2.需要頻繁實(shí)例化然后銷毀的對(duì)象。

3.創(chuàng)建對(duì)象時(shí)耗時(shí)過多或者耗資源過多，但又經(jīng)常用到的對(duì)象。

4.方便資源相互通信的環(huán)境

三、單例模式的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

• 在內(nèi)存中只有一個(gè)對(duì)象，節(jié)省內(nèi)存空間；
• 避免頻繁的創(chuàng)建銷毀對(duì)象，可以提高性能；
• 避免對(duì)共享資源的多重占用，簡(jiǎn)化訪問；
• 為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)全局訪問點(diǎn)。

缺點(diǎn)：

• 不適用于變化頻繁的對(duì)象；
• 濫用單例將帶來(lái)一些負(fù)面問題，如為了節(jié)省資源將數(shù)據(jù)庫(kù)連接池對(duì)象設(shè)計(jì)為的單例類，可能會(huì)導(dǎo)致共享連接池對(duì)象的程序過多而出現(xiàn)連接池溢出；
• 如果實(shí)例化的對(duì)象長(zhǎng)時(shí)間不被利用，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為該對(duì)象是垃圾而被回收，這可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)象狀態(tài)的丟失；

四、單例模式的實(shí)現(xiàn)

1.餓漢式

// 餓漢式單例
public class Singleton1 {
     // 指向自己實(shí)例的私有靜態(tài)引用，主動(dòng)創(chuàng)建
    private static Singleton1 singleton1 = new Singleton1();
     // 私有的構(gòu)造方法
    private Singleton1(){}
     // 以自己實(shí)例為返回值的靜態(tài)的公有方法，靜態(tài)工廠方法
    public static Singleton1 getSingleton1(){
        return singleton1;
    }
}

我們知道，類加載的方式是按需加載，且加載一次。。因此，在上述單例類被加載時(shí)，就會(huì)實(shí)例化一個(gè)對(duì)象并交給自己的引用，供系統(tǒng)使用；而且，由于這個(gè)類在整個(gè)生命周期中只會(huì)被加載一次，因此只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例，即能夠充分保證單例。

優(yōu)點(diǎn)：這種寫法比較簡(jiǎn)單，就是在類裝載的時(shí)候就完成實(shí)例化。避免了線程同步問題。

缺點(diǎn)：在類裝載的時(shí)候就完成實(shí)例化，沒有達(dá)到Lazy Loading的效果。如果從始至終從未使用過這個(gè)實(shí)例，則會(huì)造成內(nèi)存的浪費(fèi)。

2.懶漢式

// 懶漢式單例
public class Singleton2 {
     // 指向自己實(shí)例的私有靜態(tài)引用
    private static Singleton2 singleton2;
     // 私有的構(gòu)造方法
    private Singleton2(){}
     // 以自己實(shí)例為返回值的靜態(tài)的公有方法，靜態(tài)工廠方法
    public static Singleton2 getSingleton2(){
        // 被動(dòng)創(chuàng)建，在真正需要使用時(shí)才去創(chuàng)建
        if (singleton2 == null) {
            singleton2 = new Singleton2();
        }
        return singleton2;
    }
}

我們從懶漢式單例可以看到，單例實(shí)例被延遲加載，即只有在真正使用的時(shí)候才會(huì)實(shí)例化一個(gè)對(duì)象并交給自己的引用。

這種寫法起到了Lazy Loading的效果，但是只能在單線程下使用。如果在多線程下，一個(gè)線程進(jìn)入了if (singleton == null)判斷語(yǔ)句塊，還未來(lái)得及往下執(zhí)行，另一個(gè)線程也通過了這個(gè)判斷語(yǔ)句，這時(shí)便會(huì)產(chǎn)生多個(gè)實(shí)例。所以在多線程環(huán)境下不可使用這種方式。

3.雙重加鎖機(jī)制

public class Singleton
    {
        private static Singleton instance;
        //程序運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)只讀的進(jìn)程輔助對(duì)象
        private static readonly object syncRoot = new object();
        private Singleton() { }
        public static Singleton GetInstance()
        {
            //先判斷是否存在，不存在再加鎖處理
            if (instance == null)
            {
                //在同一個(gè)時(shí)刻加了鎖的那部分程序只有一個(gè)線程可以進(jìn)入
                lock (syncRoot)
                {
                    if (instance == null)
                    {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

Double-Check概念對(duì)于多線程開發(fā)者來(lái)說不會(huì)陌生，如代碼中所示，我們進(jìn)行了兩次if (singleton == null)檢查，這樣就可以保證線程安全了。這樣，實(shí)例化代碼只用執(zhí)行一次，后面再次訪問時(shí)，判斷if (singleton == null)，直接return實(shí)例化對(duì)象。

使用雙重檢測(cè)同步延遲加載去創(chuàng)建單例的做法是一個(gè)非常優(yōu)秀的做法，其不但保證了單例，而且切實(shí)提高了程序運(yùn)行效率

優(yōu)點(diǎn)：線程安全；延遲加載；效率較高。

4.靜態(tài)初始化

//阻止發(fā)生派生，而派生可能會(huì)增加實(shí)例
    public sealed class Singleton
    {
        //在第一次引用類的任何成員時(shí)創(chuàng)建實(shí)例，公共語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù)負(fù)責(zé)處理變量初始化
        private static readonly Singleton instance=new Singleton();
         private Singleton() { }
        public static Singleton GetInstance()
        {
            return instance;
        }
    }

在實(shí)際應(yīng)用中，C#與公共語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù)也提供了一種“靜態(tài)初始化”方法，這種方法不需要開發(fā)人員顯式地編寫線程安全代碼，即可解決多線程環(huán)境下它是不安全的問題。

五、總結(jié)

當(dāng)然，單例模式的實(shí)現(xiàn)方法還有很多。但是，這四種是比較經(jīng)典的實(shí)現(xiàn)，也是我們應(yīng)該掌握的幾種實(shí)現(xiàn)方式。

從這四種實(shí)現(xiàn)中，我們可以總結(jié)出，要想實(shí)現(xiàn)效率高的線程安全的單例，我們必須注意以下兩點(diǎn)：

盡量減少同步塊的作用域；

盡量使用細(xì)粒度的鎖。

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來(lái)幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！

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