饿汉式单例与懒汉式单例的C#实现

苏霈儿咪咪 2017-03-31

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1. 饿汉式单例类

饿汉式单例类(Eager Singleton)是实现起来最容易的单例类，饿汉式单例类结构图如图1所示。

图1 饿汉式单例类图

从图1中可以看出，由于在定义静态变量的时候实例化单例类，因此在类加载时单例对象就已创建，代码如下：

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class EagerSingleton   
{   
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();   
  
    private EagerSingleton() { }   
  
    public static EagerSingleton GetInstance()   
    {  
        return instance;   
    }  
}  

当类被加载时，静态变量instance 会被初始化，此时类的私有构造函数会被调用，单例类的唯一实例将被创建。

2. 懒汉式单例类与双重检查锁定

与饿汉式单例类相同之处是，懒汉式单例类(Lazy Singleton)的构造函数也是私有的。与饿汉式单例类不同的是，懒汉式单例类在第一次被引用时将自己实例化，在懒汉式单例类被加载时不会将自己实例化。懒汉式单例类结构图如图2所示。

图2 懒汉式单例类图

从图2可以看出，在懒汉式单例类中，不是在定义静态变量时实例化单例类，而是在第一次调用静态工厂方法时实例化单例类。

但是懒汉式单例存在一个很严重的问题：如果在高并发、多线程环境下实现懒汉式单例类，在某一时刻可能会有多个线程需要使用单例对象，即会有多个线程同时调用GetInstance()方法，可能会造成创建多个实例对象，这将违背单例模式的设计意图。为了防止生成多个单例对象，需要使用C#语言中的lock关键字，lock关键字锁定的代码片段称之为临界区，可以确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不能进入临界区。如果其他线程试图进入锁定的代码，则将一直等待，直到该对象被释放为止。修改之后的懒汉式单例类代码如下：

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class LazySingleton   
{   
    private static LazySingleton instance = null;   
    //程序运行时创建一个静态只读的辅助对象  
    private static readonly object syncRoot = new object();  
  
    private LazySingleton() { }   
  
    public static LazySingleton GetInstance()   
    {   
        //第一重判断，先判断实例是否存在，不存在再加锁处理  
        if (instance == null)   
        {  
            //加锁的程序在某一时刻只允许一个线程访问  
            lock(syncRoot)  
            {  
                //第二重判断  
                if(instance==null)  
                {  
                    instance = new LazySingleton();  //创建单例实例  
                }  
            }  
        }  
        return instance;   
    }  
}  

在上面给出的懒汉式单例类实现代码中，对静态工厂方法GetInstance()中创建单例对象的代码进行了加锁，由于在调用时无法确定该单例对象是否已创建，因此需要使用辅助对象syncRoot来进行代码锁定。为了不影响程序的性能，此处只锁定创建单例对象的代码，并未锁定整个方法。如果实例存在则直接返回，如果实例未创建则加锁后再创建。

为了更好地对单例对象的创建进行控制，此处使用了一种被称之为双重检查锁定(Double-CheckLocking)的双重判断机制。在双重检查锁定中，当实例不存在且同时有两个线程调用GetInstance()方法时，它们都可以通过第一重“instance==null”判断，然后由于lock锁定机制，只有一个线程进入lock中执行创建代码，另一个线程处于排队等待状态，必须等待第一个线程执行完毕后才可以进入lock锁定的代码，如果此时不进行第二重“instance==null”判断，第二个线程并不知道实例已经创建，将继续创建新的实例，还是会产生多个单例对象，违背单例模式的设计思想，因此需要进行双重检查。

3. 饿汉式单例类与懒汉式单例类比较

饿汉式单例类在类被加载时就将自己实例化，它的优点在于无须考虑多个线程同时访问的问题，可以确保实例的唯一性；从调用速度和反应时间角度来讲，由于单例对象一开始就得以创建，因此要优于懒汉式单例。但是无论系统在运行时是否需要使用该单例对象，由于在类加载时该对象就需要创建，因此从资源利用效率角度来讲，饿汉式单例不及懒汉式单例，而且在系统加载时由于需要创建饿汉式单例对象，加载时间可能会比较长。

懒汉式单例类在第一次使用时创建，无须一直占用系统资源，实现了延迟加载，但是必须处理好多个线程同时访问的问题，特别是当单例类作为资源控制器，在实例化时必然涉及资源初始化，而资源初始化很有可能耗费大量时间，这意味着出现多线程同时首次引用此类的机率变得较大，需要通过双重检查锁定等机制进行控制，这将导致系统性能受到一定影响。

Java程序员可进一步阅读：确保对象的唯一性——单例模式（三）与确保对象的唯一性——单例模式（四）