设计模式之Singleton(单态模式)

摘要：讨论 Singleton 设计模式（指示如何以及何时创建对象的创造性模式）及其在 Microsoft .NET 框架中的有效使用。

内容

简介

Singleton 模式

结论

简介

　在开发软件应用程序过程中，随着应用程序的开发，会出现重复性的模式。 随着整个软件系统的开发，很多相同的模式会逐渐显现出来。

　这种重复性模式概念在其他应用中是非常明显的。 汽车制造就是一种此类应用。 很多不同的汽车型号使用相同的子构件，包括大多数基本部件（例如，灯泡和紧固零件）以及较大的构件（例如，底盘和发动机）。

　在住宅建筑中，重复性模式概念适用于螺丝和螺钉以及整体总体建筑物配电系统。 无论组建的小组是为了开发新的汽车设计还是新的建筑物设计，它其通常不必没有考虑到以前已解决的问题。 如果设计和建筑住宅的小组必须重新构思和设计房子的每一个组成部分，则整个过程所花的时间比现在要长得多。 门高或灯开关功能等许多设计决策（例如，门高或灯开关功能）很容易理解。 房为满足给房子不同部分提供洗手功能的要求，房屋设计师不必重新设计和重新建造不同类型的输供水和蓄水设施：，以便达到为房子不同部分提供洗手功能的要求： 标准水槽以及标准的热水和冷水输入接头和排水输出接头是很容易理解非常常见的房屋建筑构件。 可以将重复性模式概念反复应用于我们周围的几乎每样东西上，包括软件。

　汽车和住宅建筑示例有助于在软件设计和构造中体现某些一般性的抽象概念。 易于理解且明确定义的通用功能部件的概念是设计模式的源动力，它也是其他两篇设计模式文章探究工厂设计模式和探究观察者设计模式的重点。 这些模式几乎涵盖了面向对象的软件设计的各个方面，包括对象创建、对象交互和对象生存期。 在本文中，我们将讨论 Singleton 模式，它包含在创造性模式系列中。

　创造性模式指示如何以及何时创建对象。 很多实例需要只能通过创造性方法解决的特殊行为，而不是在创建实例后强制实施所需的行为。 此类行为要求最好的例子之一包含在 Singleton 模式中。 Singleton 模式在 Design Patterns: Elements of Reusable Software 这一经典参考书目中有正式的定义，该书的作者包括 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides（也称为四人组或 GoF）。 在 Design Patterns 中，此模式是最简单也是使用最广泛的模式之一。 但是，正如我们将会看到的一样，在实现此模式时可能会出现一些问题。 本文试图通过 Singleton 模式的多个早期实现来从头开始分析 Singleton 模式，以及如何在 Microsoft_ .NET 应用程序开发中发挥其最佳用途。

Singleton 模式

　按照 Design Patterns 中的定义，Singleton 模式的用途是 "ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it"（确保每个类只有一个实例，并提供它的全局访问点）。

　它可以解决什么问题，或者换句话说，我们使用它的动机是什么？ 几乎在每个应用程序中，都需要有一个从中进行全局访问和维护某种类型数据的区域。 在面向对象的 (OO) 系统中也有这种情况，在此类系统中，在任何给定时间只应运行一个类或某个类的一组预定义数量的实例。 例如，当使用某个类来维护增量计数器时，此简单的计数器类需要跟踪在多个应用程序领域中使用的整数值。 此类需要能够增加该计数器并返回当前的值。 对于这种情况，所需的类行为应该仅使用一个类实例来维护该整数，而不是使用其它类实例来维护该整数。

　最初，人们可能会试图将计数器类实例只作为静态全局变量来创建。 这是一种通用的方法，但实际上只解决一部分问题；它解决了全局可访问性问题，但没有采取任何措施来确保在任何给定的时间只运行一个类实例。 应该由类本身来负责只使用一个类实例，而不是由类用户来负责。 应该始终不要让类用户来监视和控制运行的类实例的数量。

　所需要的是使用某种方法来控制如何创建类实例，然后确保在任何给定的时间只创建一个类实例。 这会确切地给我们提供所需的行为，并使客户端不必了解任何类细节。

逻辑模型

　Singleton 模型非常简单直观。 （通常）只有一个 Singleton 实例。 客户端通过一个已知的访问点来访问 Singleton 实例。 在这种情况下，客户端是一个需要访问唯一 Singleton 实例的对象。 图 1 以图形方式显示此关系。

图 1. Singleton 模式逻辑模型

物理模型

　Singleton 模式的物理模型也是非常简单的。 但是，随着时间的推移，实现 Singleton 的方式也略有不同。 让我们看一下原始的 GoF Singleton 实现。 图 2 显示按 Design Patterns 所定义的原始 Singleton 模式的 UML 模型。

图 2. Design Patterns 中的 Singleton 模式物理模型