设计
Singleton设计模式的C#实现
电子科技大学 张申 (handi@sina.com)
关键字：singleton 设计模式 同步 C#
1 Singleton模式。
Singleton（译为单件或单态）模式是设计模式中比较简单而常用的模式。
有些时候在整个应用程序中，会要求某个类有且只有一个实例，这个时候可以采用Singleton模式进行设计。用Singleton模式设计的类不仅能保证在应用中只有一个实例，而且提供了一种非全局变量的方法进行全局访问，称为全局访问点，这样对于没有全局变量概念的纯面向对象语言来说是非常方便的，比如C#。
本文用一个计数器的例子来描述在C#中如何使用Singleton模式：计数的值设计为计数器类的一个私有成员变量，它被4个不同的线程进行读写操作，为保证计数的正确性，在整个应用当中必然要求计数器类的实例是唯一的。
2 Singleton的实现方式。
首先看看教科书方式的Singleton标准实现的两种方法，以下用的是类C#伪代码：
方法一：
using System;
namespace csPattern.Singleton
{
public class Singleton
{
static Singleton uniSingleton = new Singleton();
private Singleton() {}
static public Singleton instance()
{
return uniSingleton;
}
}
}
方法二：
using System;
namespace csPattern.Singleton
{
public class Singleton
{
static Singleton uniSingleton;
private Singleton() {}
static public Singleton instance()
{
if (null == uniSingleton)
{
uniSingleton = new Singleton _lazy();
}
return uniSingleton;
}
}
}
Singleton模式的实现有两个技巧：一是使用静态成员变量保存“全局”的实例，确保了唯一性，使用静态的成员方法instance() 代替 new关键字来获取该类的实例，达到全局可见的效果。二是将构造方法设置成为private，如果使用new关键字创建类的实例，则编译报错，以防编程时候笔误。
上面方法二的初始化方式称为lazy initialization，是在第一次需要实例的时候才创建类的实例，与方法一中类的实例不管用不用一直都有相比，方法二更加节省系统资源。但是方法二在多线程应用中有时会出现多个实例化的现象。
假设这里有2个线程：主线程和线程1，在创建类的实例的时候可能会遇到一些原因阻塞一段时间（比如网络速度或者需要等待某些正在使用的资源的释放），此时的运行情况如下：
主线程首先去调用instance()试图获得类的实例，instance()成员方法判断该类没有创建唯一实例，于是开始创建实例。由于一些因素，主线程不能马上创建成功，而需要等待一些时间。此时线程1也去调用instance()试图获得该类的实例，因为此时实例还未被主线程成功创建，因此线程1又开始创建新实例。结果是两个线程分别创建了两次实例，对于计数器类来说，就会导致计数的值被重置，与Singleton的初衷违背。解决这个问题的办法是同步。
下面看看本文的计数器的例子的实现：
使用方法一：
using System;
using System.Threading;
namespace csPattern.Singleton
{
public class Counter
{
static Counter uniCounter = new Counter(); //存储唯一的实例。
private int totNum = 0; //存储计数值。
private Counter()
{
Thread.Sleep(100); //这里假设因为某种因素而耽搁了100毫秒。
//在非lazy initialization 的情况下, 不会影响到计数。.
}
static public Counter instance()
{
return uniCounter;
}
public void Inc() { totNum ++;} //计数加1。
public int GetCounter() { return totNum;} //获得当前计数值。
}
}
以下是调用Counter类的客户程序，在这里我们定义了四个线程同时使用计数器，每个线程使用4次，最后得到的正确结果应该是16：
using System;
using System.IO;
using System.Threading;
namespace csPattern.Singleton.MutileThread
{
public class MutileClient
{
public MutileClient() {}
public void DoSomeWork()
{
Counter myCounter = Counter.instance(); //方法一
//Counter_lazy myCounter = Counter_lazy.instance(); //方法二
for (int i = 1; i < 5; i++)
{
myCounter.Inc();
Console.WriteLine("线程{0}报告: 当前counter为: {1}", Thread.CurrentThread.Name.ToString(), myCounter.GetCounter().ToString());
}
}
public void ClientMain()
{
Thread thread0 = Thread.CurrentThread;
thread0.Name = "Thread 0";
Thread thread1 =new Thread(new ThreadStart(this.DoSomeWork));
thread1.Name = "Thread 1";
Thread thread2 =new Thread(new ThreadStart(this.DoSomeWork));
thread2.Name = "Thread 2";
Thread thread3 =new Thread(new ThreadStart(this.DoSomeWork));
thread3.Name = "Thread 3";
thread1.Start();
thread2.Start();
thread3.Start();
DoSomeWork(); //线程0也只执行和其他线程相同的工作。
}
}
}
(接下半部分)