設計模式（1）單例模式（Singleton）

時間 2019-11-09

標籤設計模式 singleton 简体版

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設計模式（0）簡單工廠模式html

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0 單例模式簡介

0.0 單例模式定義

單例模式是GOF二十三中經典設計模式的簡單經常使用的一種設計模式，單例模式的基本結構需知足如下要求。github

單例模式的核心結構只有一個單例類，單例模式要保證這個類在運行期間只能被實例化一次，即只會被建立惟一的一個單例類的實例。
單例模式須要提供一個全局惟一能獲得這個類實例的訪問點，通常經過定義一個名稱相似爲GetInstance的公用方法實現這一目的。

要知足上面的兩點要求，應該很容易的想到：設計模式

1.該類的構造函數應該是私有的，不能隨意被實例化是保證只有一個實例的前提。安全

2.該類需提供一個公開的且返回值類型爲單例類類型的公用方法。多線程

來看一下單例模式的基本結構圖：函數

0.1 單例模式應用場景

經過上面對單例模式基本定義的瞭解，單例模式的應用場景也就很明確了。性能

單例模式適用於各類系統中某個類的對象只能存在一個相似場景，咱們如今回顧一下上一篇簡單工廠模式中的大體實現學習

/// <summary>
 /// 簡單工廠類
 /// </summary>
 public class Factory
 {

     /// <summary>
     /// 建立英雄的靜態方法
     /// </summary>
     /// <param name="heroName">英雄名稱</param>
     /// <returns></returns>
     public static IHero CreateHero(string heroName)
     {
         switch (heroName)
         {
             case "DH":
                 return new DH();
             case "WD":
                 return new WD();
             case "KOG":
                 return new KOG();
             case "POM":
                 return new POM();
             default:
                 return null;
         }
     }
 }

/// <summary>
 /// 惡魔獵手
 /// </summary>
 public class DH : IHero
 {

     /// <summary>
     /// 秀出本身的技能
     /// </summary>
     public void ShowSkills()
     {
         Console.WriteLine("我是惡魔獵手，我會法力燃燒、獻祭、閃避和變身。");
     }
 }

經過簡單工廠模式確實達到了接口隔離的目的，外部使用無需關注內部類的具體實現工程，只經過簡單工廠類建立想要的對象便可，但這裏有一個致命的問題就是，咱們玩兒遊戲的過程當中，英雄會存在一個死亡和復活的場景，咱們簡單的把英雄祭壇理解爲建立英雄的簡單工廠，假設當咱們復活英雄的時候，是經過工廠類建立英雄的一個過程，那麼咱們面臨的問題就出現了，我原本一個6級的大惡魔獵手，因爲走位過分風騷，走進了祭壇，如今在經過工廠建立的時候，因爲是又從新new了一個對象，從祭壇中走出了一個萌叉叉的1級小惡魔獵手……測試

爲保證個人那個6級大惡魔仍是那個6級大惡魔，一身裝備一個很多的走出祭壇，至此也就到了必須引入單例模式的時候了。

1 單例模式詳解

1.0單例模式的基本實現-懶漢式單例模式

按照單例模式的2個基本特徵：私有的構造函數和公開的GetInstance方法。將DH類進行以下改造，代碼的具體意圖已經經過註釋詳細解釋。

/// <summary>
/// 惡魔獵手
/// </summary>
public class DH : IHero
{
    //定義一個靜態的DH類變量
    private static DH dh;

    /// <summary>
    /// 私有的構造函數，可以保證該類不會在外部被隨意實例化，是保證該類只用一個實例的基本前提
    /// </summary>
    private DH()
    {

    }

    /// <summary>
    /// 定義一個靜態的公開的GetInstance方法供外部獲得DH類惟一實例是調用
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static DH GetInstance()
    {
       //先判斷dh是否已經被實例化，若未被實例化，先實例化獲得DH類的實例
        //保證DH類只被實例化一次
        if (dh == null)
        {
            dh = new DH();
        }
        return dh;
    }

    /// <summary>
    /// 秀出本身的技能
    /// </summary>
    public void ShowSkills()
    {
        Console.WriteLine("我是惡魔獵手，我會法力燃燒、獻祭、閃避和變身。");
    }
}

修改Factory簡單工廠類中建立DH實例部分的代碼

/// <summary>
/// 簡單工廠類
/// </summary>
public class Factory
{

    /// <summary>
    /// 建立英雄的靜態方法
    /// </summary>
    /// <param name="heroName">英雄名稱</param>
    /// <returns></returns>
    public static IHero CreateHero(string heroName)
    {
        switch (heroName)
        {
            case "DH":
                return DH.GetInstance(); //經過DH類公開的靜態GetInstance方法獲得DH類的實例
            case "WD":
                return new WD();
            case "KOG":
                return new KOG();
            case "POM":
                return new POM();
            default:
                return null;
        }
    }
}

客戶端測試

static void Main(string[] args)
{
    IHero dh1 = Factory.CreateHero("DH");
    IHero dh2 = Factory.CreateHero("DH");
    if (dh1.Equals(dh2))
        Console.WriteLine("惡魔獵手：我仍是從前的我。");
    else
        Console.WriteLine("惡魔獵手：我已不是從前的我。");

    IHero wd1 = Factory.CreateHero("WD");
    IHero wd2 = Factory.CreateHero("WD");
    if (wd1.Equals(wd1))
        Console.WriteLine("守望者：我仍是從前的我。");
    else
        Console.WriteLine("守望者：我已不是從前的我。");

    Console.ReadLine();
}

輸出結果以下

至此咱們對DH這個類應用了單例模式來確保不管什麼時候走出祭壇的都是同一個DH對象，從DH對象被實例化的實際來看，是在被使用的時候纔會被建立，這種方式被成爲懶漢式單例模式

有一天突發奇想，我建造兩個英雄祭壇（兩個簡單工廠類），用我APM500+的超快手速，同時在兩個祭壇裏生產同一個英雄，發現我擁有了2個6級大惡魔……（固然了，實際中不會有這個bug存在）

這就是基本懶漢式單例模式要面對的多線程問題，也就是說基本懶漢式單例模式的寫法是沒法作到線程級別安全的。

問題的關鍵就在獲取DH類實例的GetInstance方法的內部實現中

if (dh == null)
{
   dh = new DH();
}
return dh;

簡單來講就是當第一個線程調用判斷if(dh==null)爲true，已經進入內部經過調用new進行實例化時，另外一個線程也進行了判斷，而偏偏此時dh尚未被實例化完成，一樣第二個線程也進入if判斷語句的內部，進行dh的實例化，因而就出現了2個DH類的實例，從兩個祭壇走出來兩個大惡魔。

解決這一問題通常有兩種方法餓漢式單例和雙重檢查鎖。

1.1 餓漢式單例

餓漢式單例是在系統初始化時自動完成單例類實例的一種方法，而不是等到須要的時候再初始化，也就是說無論之後你會不會用到這個類的對象，我都會給你實例化一個出來，有一種飢餓難耐的感受在裏面，故名餓漢式。

/// <summary>
/// 餓漢式單例
/// </summary>
public class DH : IHero
{
    //系統初始化時已經將DH類進行實例化
    private static readonly DH dh = new DH();

    /// <summary>
    /// 私有的構造函數，可以保證該類不會在外部被隨意實例化，是保證該類只用一個實例的基本前提
    /// </summary>
    private DH()
    {

    }

    /// <summary>
    /// 調用時直接返回已經實例化完成的對象
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static DH GetInstance()
    {
        return dh;
    }

    /// <summary>
    /// 秀出本身的技能
    /// </summary>
    public void ShowSkills()
    {
        Console.WriteLine("我是惡魔獵手，我會法力燃燒、獻祭、閃避和變身。");
    }
}

這種方法簡單直接的解決了線程安全問題，可是因爲實在初始化時就將單例類進行了實例化，必定程度上形成了各類資源的浪費，違背了延遲加載的設計思想，通常爲了解決單例模式線程安全問題，一般使用雙重檢查鎖的方法。

1.2 雙重檢查鎖

雙重檢查鎖的命名基於單重檢查鎖方式而來，單重檢查鎖是在GetInstance實現的時候先行進行鎖定，防止別的線程進入，從而解決線程安全問題的。主要代碼以下

//定義一個靜態只讀的用於加鎖的輔助對象
private static readonly object lockObject = new object ();

lock (lockObject)
{
    //先判斷dh是否已經被實例化，若未被實例化，先實例化獲得DH類的實例
    //保證DH類只被實例化一次
    if (dh == null)
    {
        dh = new DH();
    }
}

return dh;

這種方式每次都要進行lock操做，其實是一種同步方式，這將會在必定程度上影響系統性能的瓶頸和增長了額外的開銷。由此衍生出了雙重檢查鎖的方式，簡單來講就是先判斷一次dh是否爲null，爲null時才進行lock操做，不爲null就直接返回。

/// <summary>
/// 惡魔獵手
/// </summary>
public class DH : IHero
{
    //定義一個靜態的DH類變量
    private static DH dh;
    //定義一個靜態只讀的用於加鎖的輔助對象
    private static readonly object lockObject = new object (); 
    /// <summary>
    /// 私有的構造函數，可以保證該類不會在外部被隨意實例化，是保證該類只用一個實例的基本前提
    /// </summary>
    private DH()
    {

    }

    /// <summary>
    /// 定義一個靜態的公開的GetInstance方法供外部獲得DH類惟一實例是調用
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static DH GetInstance()
    {
        //先判斷dh是否已經被實例化，若未被實例化，先加鎖保證線程安全
        if (dh == null)
        {
            lock (lockObject)
            {
              //先判斷dh是否已經被實例化，若未被實例化，先實例化獲得DH類的實例
                //保證DH類只被實例化一次
                if (dh == null)
                {
                    dh = new DH();
                }
            }
        }
        return dh;
    }

    /// <summary>
    /// 秀出本身的技能
    /// </summary>
    public void ShowSkills()
    {
        Console.WriteLine("我是惡魔獵手，我會法力燃燒、獻祭、閃避和變身。");
    }
}