设计模式之Singleton(单态模式)

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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。

作者：中国IT实验室来源：中国IT实验室 2007年8月26日

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　我们看到的是一个简单的类图表，显示有一个 Singleton 对象的私有静态属性以及返回此相同属性的公共方法 Instance()。这实际上是 Singleton 的核心。还有其他一些属性和方法，用于说明在该类上允许执行的其他操作。为了便于此次讨论，让我们将重点放在实例属性和方法上。

　客户端仅通过实例方法来访问任何 Singleton 实例。此处没有定义创建实例的方式。我们还希望能够控制如何以及何时创建实例。在 OO 开发中，通常可以在类的构造函数中最好地处理特殊对象的创建行为。这种情况也不例外。我们可以做的是，定义我们何时以及如何构造类实例，然后禁止任何客户端直接调用该构造函数。这是在 Singleton 构造中始终使用的方法。让我们看一下 Design Patterns 中的原始示例。通常，将下面所示的 C++ Singleton 示例实现代码示例视为 Singleton 的默认实现。本示例已移植到很多其他编程语言中，通常它在任何地方的形式与此几乎相同。

C++ Singleton 示例实现代码

// Declaration
class Singleton {
　public: static Singleton* Instance();
　protected: Singleton();
　private: static Singleton* _instance;
}
// Implementation
Singleton* Singleton::_instance = 0;
Singleton* Singleton::Instance() {
　if (_instance == 0) {
　　 _instance = new Singleton;
　}
return _instance;
}

让我们先花点时间分析一下此代码。该简单类有一个成员变量，此变量是指向该类自身的指针。注意，构造函数是受保护的，并且只有公共方法才是实例方法。在实例方法实现中，有一个控制块 (if)，它检查成员变量是否已初始化，如果没有的话，则创建一个新实例。控制块中这种惰性初始化意味着仅在第一次调用 Instance() 方法时初始化或创建 Singleton 实例。对于很多应用程序，这种方法效果很好。但对于多线程应用程序，这种方法证明具有潜在危险的副作用。如果两个线程同时进入控制块，则可能会创建该成员变量的两个实例。要解决这一问题，您可能想只将重要部分放在控制块周围以确保线程安全。如果您这样做，则将对实例方法的所有调用进行序列化处理，并且可能会对性能产生不利影响（取决于应用程序）。正是由于这个原因，创建了此模式的另一个版本，它使用某种称为双重检验机制的功能。下一个代码示例显示使用 Java 语法的双重检验锁定。

使用 Java 语法的双重检验锁定 Singleton 代码

// C++ port to Java
class Singleton {
　public static Singleton Instance() {
　　 if (_instance == null) {
　　　 synchronized (Class.forName("Singleton")) {
　　　　 if (_instance == null) {
　　　　　_instance = new Singleton();
　　　　}
　　　}
　　}
return _instance;
}
protected Singleton() {
}
private static Singleton _instance = null;
}

　在使用 Java 语法的双重检验锁定 Singleton 代码示例中，我们直接将 C++ 代码移植到 Java 代码，以便利用 Java 关键部分块（已同步）。主要差别是不再有单独的声明和实现部分，没有指针数据类型，并且采用了新的双重检验机制。双重检验发生在第一个 IF 块上。如果成员变量为空，则执行进入关键部分块，该块再次双重检验该成员变量。仅在通过此最终测试后，才会实例化该成员变量。一般来说，两个线程无法使用这种方法创建两个类实例。另外，因为在第一次检查时没有出现线程阻塞，所以对此方法的大多数调用不会由于必须进入锁定而导致性能下降。目前，在实现 Singleton 模式时，很多 Java 应用程序中都广泛使用这种方法。这种方法很巧妙，但也有瑕疵。某些优化编译器可以将惰性初始化代码优化掉或对其重新进行排序，并且会重新产生线程安全问题。有关更深入的解释，请参阅 "The Double-Check Locking is Broken" Declaration。

　另一种试图解决此问题的方法可能是，在成员变量声明中使用 volatile 关键字。这应该告诉编译器不要对代码重新排序，并且放弃优化。目前，这是唯一建议的 JVM 内存模型，并且不会立即解决该问题。

　实现 Singleton 的最好方法是什么？最终（而不是碰巧），Microsoft .NET 框架解决了所有这些问题，从而更易于实现 Singleton，却不会产生我们目前讨论的不利副作用。 .NET 框架以及 C# 语言允许我们在必要时通过替换语言关键字，将上述的 Java 语法移植到 C# 语法。因此，Singleton 代码变为以下内容：

以 C# 编码的双重检验锁定

// Port to C#
class Singleton {
　public static Singleton Instance() {
　　 if (_instance == null) {
　　　lock (typeof(Singleton)) {
　　　　if (_instance == null) {
　　　　　_instance = new Singleton();
　　　　}
　　　}
　　}
return _instance;
}
protected Singleton() {
}
private static volatile Singleton _instance = null;
}

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