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C#中的單例模式

一般的，設計模式中用到單例模式，代碼通常會如下：

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public sealed class Singleton
{
    private static Singleton instance=null;

    private Singleton()
    {
    }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if (instance==null)
            {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

代碼比較簡單，用到一個公有的靜態屬性和一個私有的靜態字段。并且把構造函數設為私有，防止該類被實例化。

但上述代碼在多線程情況下并不可靠。有一種情況下。2個線程在get的時候，都檢測到instance==null，因此各自創建了一個Singleton對象，破壞了單例的原則。

因此改進后的代碼就是加鎖。

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;
            }
        }
    }
}

加鎖之后，多線程的操作也變的同步了，同一時間只能有獲得鎖的那個線程才能創建對象。這保證了對象的唯一，但是這個會損耗性能。

因為每次get的時候，都會加鎖，因此可以把代碼修改一下，如果對象已經存在了，就不需要加鎖來創建對象。代碼修改如下：

public sealed class Singleton
{
    private static volatile 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;
        }
    }
}

仔細看一下，就會發現，上述代碼中，有2次檢測instance == null，因此也成為雙重檢測。注意，由于Java中內存模型的問題，上述雙重檢測代碼，對Java不一定有效。

在C#代碼中，考慮下面的場景，有2個線程A,B

1.A線程進入get

2.A線程檢測到instance==null

3.A線程獲得鎖

4.A線程實例化一個對象

5.B線程進入get

6.B線程檢測是否instance==null

問題出現在第4,5,6步驟。

當第4步執行的時候，很有可能出現這種情況，CLR為Singleton對象在托管堆上分配了空間，并且讓instance指向了這個空間，然后再去調用Singleton的構造函數。而漏洞就在這里，線程B可能未等到線程A運行完Singleton的構造函數，就進入get檢測instance！=null，認為對象不是null，然后就直接返回instance，而此時，instance指向的值還在初始化呢，這就可能導致線程B得到的對象是沒完全初始化成功的，可能引起代碼錯誤。當然，這種錯誤的可能性非常少見，但還是會有一定的概率。

因此，上述代碼中instance變量加了一個關鍵字volatile，加它的作用，是為了訪問這個instance的時候，確保instance分配了空間并且初始化完成了（volatile確保該字段在任何時間呈現的都是最新的值）。

如果不使用volatile關鍵字，也可以將instance = new Singleton();語句替換成Interlocked.Exchange(ref instance,new Singleton())。

在C#中，對于實現單例模式，更為推崇的方法是使用靜態變量初始化。

有些設計模式的書中，避免使用靜態初始化的原因之一是C++ 規范在靜態變量的初始化順序方面留下了一些多義性。幸運的是，.NET Framework 通過其變量初始化處理方法解決了這種多義性：

public sealed class Singleton
{
   private static readonly Singleton instance = new Singleton();
   
   private Singleton(){}

   public static Singleton Instance
   {
      get 
      {
         return instance; 
      }
   }
}

CLR保證了靜態字段初始化操作總是線程安全的，無論多少線程同時訪問該類，類中的靜態字段只可能被初始化一次（每個應用程序域）。

這是因為，類中的靜態字段的初始化，是由類的靜態構造函數完成的，C#編譯器檢測到類中有靜態字段后，會為該類生產一個靜態構造函數（可以從IL代碼中看到.cctor方法），也就是說下面代碼是等價的：

class SomeType{
    Static int x = 5;
    }

等價于

class SomeType
{
    Static int x;
    Static SomeType()
    {
        x = 5;
    }
}

因此上述的instance只會初始化一次。保證了單例。這種方法使用了CLR的特性，對于其他語言并不保證，是.NET平臺上推崇的一種實現singleton的方式。

上述實現方法有個不足在于不能延遲加載對象，如果Singleton中還有其他靜態字段，引用該靜態字段的時候，會導致Singleton被創建了。因此，可以在該類中再嵌套一個類來實現延遲加載。如下：

public sealed class Singleton
{
    private Singleton()
    {
    }

    public static Singleton Instance { get { return Nested.instance; } }
        
    private class Nested
    {
        internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
    }
}

上述代碼，只有當訪問Instance屬性的時候，才會觸發Nested類的靜態字段，從而初始化一個Singleton對象，因此實現了延遲加載，但是設計比較復雜，不推薦使用。

在.NET4.0中，還有一種更優雅的方法實現延遲加載，即使用Lazy<T>對象。

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()
    {
    }
}

可以參考之前總結的文章http://cnn237111.blog.51cto.com/2359144/1213187

參考：

http://csharpindepth.com/Articles/General/Singleton.aspx#unsafe

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ff650316.aspx

http://mcwilling.blog.163.com/blog/static/1950971712013357359564/

NET4.0面向對象編程漫談基礎篇.金旭亮

新聞名稱：C#中的單例模式
瀏覽地址：http://m.newbst.com/article2/jeejic.html

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