(翻)C#中单实例模式的实现

来源：Implementing the Singleton Pattern in C# 《C# in Depth》
http://csharpindepth.com/Articles/General/Singleton.aspx
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简介

单实例模式是软件工程中最知名的模式之一。本质上讲，单实例只允许本身创建单个实例的类，并且通常会给出一个访问该实例的简单方法。通常情况下，单例模式在创建实例时，不允许指定任何参数。否则，对实例进行第二次请求，但参数不同，就会产生问题（如果所有访问同一单实例的请求都是同样的参数，则工程模式更为合适）。本文只讨论不需要参数的情况。典型的单实例模式是实例被懒洋洋的创建，即需要实例时实例才被创建。

在C#中，实现单实例模式有多种方法。我将一步步介绍更加优雅的方法。从最常见的不安全线程的版本开始，一直到完全惰性加载，线程安全，简单且高性能的版本。

所有这些实现都有以下几个共同点：
1. 私有且没有参数的单一构造器。这样可以防止其他类实例化它。没有子类（不可以被继承），如果可以被子类化一次，那么就可以被子类化两次，如果每一个子类都可以创建一个实例，那么这个模式就没有了意义。如果需要一个基类型的单个实例，则可以使用工厂模式。但直到运行时才知道确切的类型。
2. 这个类是密封的（sealed），严格来说，并不是必须的。但由于上边的观点，加上sealed可能有助于JIT进行优化。
3. 如果需要保持对单个创建实例的应用，需要用一个静态变量。
4. 一个公共静态方法，用于获取对单个创建实例的引用，必要时创建一个实例。

请注意，所有这些实现都使用公共静态属性实例作为访问实例的方法。在所有情况下，该属性都可以很容易地转换成一个方法，对线程安全或性能没有影响。

第一版：线程不安全

// Bad code! Do not use!
public sealed class Singleton
{
    private static Singleton instance=null;

    private Singleton()
    {
    }

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

如前边所述，上述是线程不安全的。若instance==null为真，那么两个不同线程都可以创建违反单实例模式的实例。请注意，实际上实例可能已经在表达式被求值之前创建了，但是内存模型并不能保证实例的新值将被其他线程看到，除非已经传递了适当的内存屏障。

第二版：简单线程安全的

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;
            }
        }
    }
}

这个实现是线程安全的。线程取出一个共享对象上的锁，然后在创建实例之前检查该实例是否已被创建。锁负责内存屏障的问题(所有读取锁确保发生逻辑锁获取后,和释放锁之前确保所有的写都是逻辑上发布),确保一次只有一个线程将创建一个实例(因为只有一个线程可以在这部分的代码时,第二个线程进入它的时候,第一个线程将创建实例,所以表达式将评估为false)。不幸的是，每当实例被请求时，性能就会受到影响。

请注意，与其将typeof（单件）锁定为该实现的某些版本，我锁定了一个静态变量的值，该变量是该类的私有变量。锁定其他类可以访问和锁定的对象（比如类型）可能会导致性能问题，甚至是死锁。这是我的一般风格偏好——只要可能，只锁定为锁定目的而专门创建的对象，或者为了特定的目的而锁定它们的文档（例如等待/脉冲队列）。通常这样的对象应该是他们所使用的类的私有。这有助于使编写线程安全的应用程序变得更加容易。