C# 單例模式的實現和性能對比

時間 2019-11-16

標籤 c# 模式實現性能對比欄目 C# 简体版

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簡介

單例指的是只能存在一個實例的類（在C#中，更準確的說法是在每一個AppDomain之中只能存在一個實例的類，它是軟件工程中使用最多的幾種模式之一。在第一個使用者建立了這個類的實例以後，其後須要使用這個類的就只能使用以前建立的實例，沒法再建立一個新的實例。一般狀況下，單例會在第一次被使用時建立。本文會對C#中幾種單例的實現方式進行介紹，並分析它們之間的線程安全性和性能差別。程序員

單例的實現方式有不少種，但從最簡單的實現（非延遲加載，非線程安全，效率低下），到可延遲加載，線程安全，且高效的實現，它們都有一些基本的共同點：安全

. 單例類都只有一個private的無參構造函數
. 類聲明爲sealed（不是必須的）
. 類中有一個靜態變量保存着所建立的實例的引用
. 單例類會提供一個靜態方法或屬性來返回建立的實例的引用（eg.GetInstance）
複製代碼

幾種實現

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;
        }
    }
}
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這種方法不是線程安全的，會存在兩個線程同時執行if (instance == null)而且建立兩個不一樣的instance，後建立的會替換掉新建立的，致使以前拿到的reference爲空。併發

二. 簡單的線程安全實現

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;
            }
        }
    }
}
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相比較於實現一，這個版本加上了一個對instance的鎖，在調用instance以前要先對padlock上鎖，這樣就避免了實現一中的線程衝突，該實現自始至終只會建立一個instance了。可是，因爲每次調用Instance都會使用到鎖，而調用鎖的開銷較大，這個實現會有必定的性能損失。函數

注意這裏咱們使用的是新建一個private的object實例padlock來實現鎖操做，而不是直接對Singleton進行上鎖。直接對類型上鎖會出現潛在的風險，由於這個類型是public的，因此理論上它會在任何code裏調用，直接對它上鎖會致使性能問題，甚至會出現死鎖狀況。性能

Note: C#中，同一個線程是能夠對一個object進行屢次上鎖的，可是不一樣線程之間若是同時上鎖，就可能會出現線程等待，或者嚴重的會出現死鎖狀況。所以，咱們在使用lock時，儘可能選擇類中的私有變量上鎖，這樣能夠避免上述狀況發生。測試

三. 雙重驗證的線程安全實現

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;
        }
    } 
}
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在保證線程安全的同時，這個實現還避免了每次調用Instance都進行lock操做，這會節約必定的時間。spa

可是，這種實現也有它的缺點：線程

1. 沒法在Java中工做。（具體緣由能夠見原文，這邊沒怎麼理解）
2. 程序員在本身實現時很容易出錯。若是對這個模式的代碼進行本身的修改，要倍加當心，由於double check的邏輯較爲複雜，很容易出現思考不周而出錯的狀況。
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四. 不用鎖的線程安全實現

public sealed class Singleton
{
    //在Singleton第一次被調用時會執行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;
        }
    }
}
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這個實現很簡單，並無用到鎖，可是它仍然是線程安全的。這裏使用了一個static，readonly的Singleton實例，它會在Singleton第一次被調用的時候新建一個instance，這裏新建時候的線程安全保障是由.NET直接控制的，咱們能夠認爲它是一個原子操做，而且在一個AppDomaing中它只會被建立一次。翻譯

這種實現也有一些缺點:code

1. instance被建立的時機不明，任何對Singleton的調用都會提早建立instance
2. static構造函數的循環調用。若有A，B兩個類，A的靜態構造函數中調用了B，而B的靜態構造函數中又調用了A，這兩個就會造成一個循環調用，嚴重的會致使程序崩潰。
3. 咱們須要手動添加Singleton的靜態構造函數來確保Singleton類型不會被自動加上beforefieldinit這個Attribute，以此來確保instance會在第一次調用Singleton時才被建立。
4. readonly的屬性沒法在運行時改變，若是咱們須要在程序運行時dispose這個instance再從新建立一個新的instance，這種實現方法就沒法知足。
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五. 徹底延遲加載實現（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();
    }
}
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實現五是實現四的包裝。它確保了instance只會在Instance的get方法裏面調用，且只會在第一次調用前初始化。它是實現四的確保延遲加載的版本。

六使用.NET4的Lazy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() {
    }
}
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