【朝花夕拾】设计模式之单例模式
单例模式简介
单例模式是gof 23个设计模式中最简单的模式了，它提供了一种创建唯一对象的最佳实现，注意此处的简单只是表述和意图很简单，但是实现起来，尤其是实现一个优美的单例模式却没有那么简单。
单例模式归根结底就是要确保一个类只有一个实例，并提供一个全局方式来访问该实例。具体而言，这种模式涉及到一个类，并由这个类创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建，并提供唯一一种方式来访问该对象的实例。
在现实生活中，单例的场景有很多，比如一夫一妻制(当然不道德的除外)，比如一个部门只有一个领导等等。
单例模式uml类图
如上图所示：
1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
4、构造函数是私有的。
范例
double-check
我们先看一个非常流行而又简单的实现
1: public sealed class singleton
2: {
3: private static singleton instance = null;
4: private static readonly object padlock = new object();
5:
6: private singleton()
7: {
8: }
9:
10: public static singleton instance
11: {
12: get
13: {
14: if (instance == null)
15: {
16: lock (padlock)
17: {
18: if (instance == null)
19: {
20: instance = new singleton();
21: //do a heavy task
22: }
23: }
24: }
25: return instance;
26: }
27: }
28: }
上述解决方案上，使用到了double-check方式，double-check方式可以说是盛名已久了，线程a与线程b在null check时同时通过，但是在lock时，只能进入一个线程，其他线程都要等着。
这种方式在java中编写单例模式的时候是失效的，具体原因我没有去深究。这一块内存屏障技术（memory barrier），不过这段涉及到底层操作，一般很难有人会显式操作，而且这段的控制异常复杂。另外一点就是，如果单例过程中操作的是一个数组或者其他对象，那么在实例化后如果需要进行赋值等运算操作的，那么其他线程在进行null check的时候就不会再次进入，如果其他线程调用了这个单例对象的某个属性，这极有可能出现难以预测的bug。
单例模式加载数据到内存，那么如果我们需要在使用的时候再去加载到内存，而不是一开始就加载到内存，这样可以节省内存空间。接下来我们看一下如何通过懒加载方式实现单例模式。
静态类
1: public sealed class singleton
2: {
3: private static readonly singleton instance = new singleton();
4:
5: static singleton()
6: {
7:
8: }
9:
10: private singleton()
11: {
12:
13: }
14:
15: public static singleton instance
16: {
17: get
18: {
19: return instance;
20: }
21: }
22: }
c＃中的静态构造函数仅在创建类的实例或引用静态成员时执行，并且每个appdomain只执行一次，因为每次都需要对新构造的类型执行这种检查，所以这种方式要比double-check方式更快。然而，也有一些问题：
- 它不像其他实现那样懒惰。尤其是，如果您有实例以外的静态成员，那么对这些成员的第一个引用将涉及创建实例。这将在下一个实现中得到纠正。
- 如果一个静态构造函数调用另一个静态构造函数，而另一个静态构造函数再次调用第一个静态构造函数，则会出现复杂情况。需要注意，静态构造函数在一个循环中相互引用的后果。
- 只有当类型没有被[beforefieldinit]标记时，.net才能保证类型初始值设定项的惰性。不幸的是，c编译器（至少在.net 1.1运行时中提供）将没有静态构造函数的所有类型（即看起来像构造函数但被标记为静态的块）标记为beforefieldinit。需要注意beforefieldinit会影响性能，beforefieldinit的具体用法可以参见msdn。
对于这个实现，许多人更喜欢拥有一个属性，以防将来需要进一步的操作，并且jit内联可能使性能相同。另外有一种快捷方式就是，可以将实例设置为公共的静态只读变量，不设置为属性，这样代码的基本框架会显得非常小。（注意，如果需要惰性，静态构造函数本身仍然是必需的。）
内部类
采用内部类，这是一种完全的懒加载。
1: public sealed class singleton
2: {
3: private singleton()
4: {
5:
6: }
7:
8: public static singleton instance { get { return nested.instance; } }
9:
10: private class nested
11: {
12: static nested()
13: {
14:
15: }
16:
17: internal static readonly singleton instance = new singleton();
18: }
19: }
在这里，嵌套类的静态成员在第一次引用的时候会进行实例化操作，并且该引用只在实例中发生。这意味着实现是完全懒惰的，但具有前一个实现的所有性能优势。请注意，尽管嵌套类可以访问内部类的私有成员，但反过来却不是，因此需要在此处对实例进行内部访问。不过，这并不会引发任何问题，因为类本身是私有的。不过此处貌似显得有点复杂。
lazy
那么有没有其他方式优雅而又安全的实现单例模式呢，答案是有的，那就是通过lazy方式，lazy方式可以拥有更高的性能，因为实例只有在使用的时候才会真正创建对象，这就在很大程度上减少了内存的占用，当然，比较如果是比较简单的单例创建，可以忽略这条不利影响。
lazy自带double-check，是线程安全的，他就像一个盾牌，在创建过程中，不管是创建简单对象还是复杂对象，都不会允许其他线程使用尚未创建完成的对象，更多的lazy使用，请参考msdn。
1: public sealed class singleton
2: {
3: private lazy<singleton> lazy;
4:
5: public singleton instance { get { return lazy.value; } }
6:
7: public string name{get;set;}
8:
9: public singleton()
10: {
11: lazy = new lazy<singleton>(initializesingleton);
12: }
13:
14: private singleton initializesingleton()
15: {
16: singleton singleton = new singleton();
17: singleton.name="test";
18: return singleton;
19: }
20: }
单例模式优缺点
优点：
全局范围内只有一个实例，避免了内存消耗，以及实例频繁的创建和销毁
避免了对资源的多重占用，比如独占式场景中
缺点：
一旦对象指向的外部环境发生了变化，比如在网络调用、mq等场景中一般可以可以采用单例，但是这里需要提醒的是，如果dns发生异常，在异常期间将会出现极难修复的情况，除非手动重启并指向新的域服务器
这一点有点违反单一职责原则，通常情况下，一个类应该只关注自身逻辑而不是创建对象
没有接口，无法继承
本文参考了https://csharpindepth.com/articles/singleton，该文也是深入理解c#的作者所写，可以收藏此网站以便更快的获取相关信息。
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