单例模式是结构最简单地设计模式，在它地核心结构中只包含一个被称为单例类地特殊类。
单例模式概述
对于一个软件系统中地某些类而言，只有一个实例很重要。例如：一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID生成器。在Windows操作系统中只能打开一个任务管理器窗口。如果不使用机制对窗口对象进行唯一化，势必会弹出多个窗口。如果这些窗口显示地内容完全移值，则是重复对象，浪费内存资源；如果这些窗口显示内容不一致，则意味着某一瞬间系统有多个状态，与实际不符，也会给用户带来误解，不知道哪一个才是真实的状态。因此，有时确保系统中某个对象的唯一性非常重要。
定义
单例模式：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个唯一实例。
单例模式有3个要点：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。
单例模式的结构与实现
单例模式UML
单例模式的实现
单例模式的目的是保证一个类有且仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。单例模式包含的角色只有一个，就是单例类-Singleton。单例类拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化它。
单例模式的实现代码如下：
public class Singleton
{
private static Singleton instance = null; // 静态私有成员变量
// 私有构造函数
private Singleton() { }
// 静态公有工厂方法，返回唯一实例
public static Singleton GetInstance() {
if(instance == null)
{
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
测试：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
// 单例测试
var s1 = Singleton.GetInstance();
var s2 = Singleton.GetInstance();
// 判断两个对象是否相同
if (s1 == s2)
{
Console.WriteLine("两个对象实例相同。");
}
else
{
Console.WriteLine("两个对象实例不同");
}
Console.ReadLine();
}
}
测试结果
在单例模式的实现过程中，用户需要注意以下3点：
- 单例类构造函数的可见性为private
- 提供一个类型为自身的静态私有成员变量
- 提供一个公有的静态工厂方法
饿汉式单例与懒汉式单例
饿汉式单例
饿汉式单例类（Eager Singleton）是实现起来最简单的单例类，结构如下：
实例代码如下:
public class EagerSingleton
{
private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
private EagerSingleton() { }
public static EagerSingleton GetInstance()
{
return instance;
}
}
测试结果
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。
懒汉式单例类与双重检查锁定
饿汉式单例类在第一次被引用时将自己实例化，懒汉式单例类加载时不会自己实例化。
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，在某一个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GetInstace()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。为了阻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。
代码实例：
public class LazySingleton
{
private static LazySingleton instance = null;
private LazySingleton() { }
public static LazySingleton GetInstance()
{
if (instance == null)
{
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
测试结果
加了双重锁定代码示例：
public 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)
{
// 加锁的程序再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();
}
}
}
return instance;
}
}
测试结果
为了更好的对单例对象的创建进行控制，此处使用了一种被称为双重检查锁定（Double-Check Locking）的双重判断机制。再双重检查锁定中，当实例不存在且同时又两个线程调用GetInstance（）方法时，它们都可以通过第一重“instance == null” 判断，并且由于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，违背了单例模式的设计思想，因此需要进行双重检查。
饿汉式单例类于懒汉式单例类比较
- 饿汉式单例类在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；
- 从调用的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。但是无论在系统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个使用时创建，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，在实例化时必然会涉及资源初始化，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概率变大，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。
单例模式的优缺点与适用环境
单例模式作为一种明确、结构简单、理解容易的设计模式，在软件开发中使用频率相当高，在很多应用软件和框架中都得以广泛应用。
单例模式的优点
- 提供了唯一实例的受控访问
- 由于系统内存中只存在一个对象，节约了系统资源
- 单例模式允许可变数目的实例。基于单例模式的扩展，指定个数的实例对象，既节省系统资源，又解决了由于单例对象共享过多有损性能的问题。
单例模式的缺点
- 没有抽象层，扩展困难
- 职责过重，在一定程度上违背了单一职责原则
- 现在很多面向对象语言的运行都提供了自动垃圾回收技术，因此，实例化的共享对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，在下次利用时又将重新实例化，这将导致共享的单例对象状态丢失。
单例模式使用环境
- 系统只需要一个实例对象。
- 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点。
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