獨體模式(Singleton)
獨體模式(Singleton)，保證一個類別僅有一個實體，並提供一個存取它的全域訪問點。
通常我們可以讓一個總體變數使得一個物件被存取，但它不能防止你實體化多個物件。一個最好的方法就是，讓類別自身負責保存它唯一的實體。這個類別可以保證沒有其他實體可以被建立，並且它可以提供一個存取該實體的方法。
實體化其實就是
new的過程，如果不對建構式做改動的話，是不可能阻止他人不去用new的。
所以我們完全可以直接把這個類別的建構函式改成私有的(private)，所有的類別都有建構函式，不寫程式則系統預定產生空的建構函式，若有顯示定義的建構函式，預定的建構式就會失效。
這個類別該如何實體化？
私有的方法外界不能存取，我們的目的是「讓這個類別只能實體化一次」。
對於外部程式，不能用new來實體化它，但是我們可以再寫一個public方法，叫做GetInstance()，這個方法的目的就是返回一個類別實體，而此方法中，去做是否有實體化判斷。如果沒有實體化過，就調用private的建構式new出這個實體，之所以它可以調用是因為它們在同一個類別中，private方法可以被調用。
結構圖
Singleton類別，定義一個GetInstance操作，允許客戶使用它的唯一實例。GetInstance()是一個靜態方法，主要負責建立自己的唯一實例。
1
2
3
4
Singleton
- instance: Singleton
- Singleton()
+ GetInstance()
程式碼
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
//Singleton類別，定義一個GetInstance操作，允許客戶使用它的唯一實例。GetInstance()是一個靜態方法，主要負責建立自己的唯一實例。
class Singleton {
//宣告一個靜態的類別變數
private static Singleton instance;
//建構式讓其private，這就堵死了外界利用new 建立此類別實體的可能
private Singleton() { }
//此方法是獲得本類別實體的唯一全域存取點
public static Singleton GetInstance() {
//如果實體不存在，則new 一個新實體，否則返回已有的實體
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
//用戶端
public static void Main()
{
Singleton s1= Singleton.GetInstance();
Singleton s2= Singleton.GetInstance();
//比較兩次實體化後，物件結果是實體相同
if(s1==s2) {
Console.WriteLine("兩個物件是相同的實體。");
}
}
WinForm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
//工具箱FormToolbox是否實體化，由工具箱自己來判斷
public partial class FormToolbox: Form {
//宣告一個靜態的類別變數
public static FormToolbox instance = null;
//改為私有的建構函式，外界不能直接new來實體化它
private FormToolbox() {
InitializeComponent();
}
//得到類別實體的方法，返回值就是本身類別物件，也是靜態的
public static FormToolbox GetInstance() {
//當內部的FormToolbox是null或是被Disposed，則new 它
if(instance == null || instance.IsDisposed) {
instance = new FormToolbox();
instance.MdiParent = Form1.ActiveForm;
}
return instance;
}
}
//用戶端不再考慮是否需要去實體化的問題，而把責任都給了應該負責的類別去處理。
private void ToolStripMenuItemToolbox_Click(object sender, EventArgs e) {
FormToolbox.GetInstance().Show();
}
private void ToolStripButtton1_Click(object sender, EventArgs e) {
FormToolbox.GetInstance().Show();
}
好處？
獨體模式除了保證唯一的實體外，還有，比如，獨體模式因為Singleton類別封裝它的唯一實體，這樣它可以嚴格地控制客戶怎樣存取它以及何時存取它。簡單地說就是對唯一實體的受控存取。
多執行緒時的獨體
多執行緒的程式中，多個執行緒同時，注意是同時存取Singleton類別，調用GetInstance()方法，會有可能造成建立多個實體的。
該怎麼辦？可以給行程一個鎖(lock)來處理。
lock是確保當一個執行緒位於程式碼的臨界區時，另一個執行緒不進入臨界區。如果其他執行緒試圖進入鎖定的程式碼，則它將一直等待(即被阻止)，直到該物件被釋放。
鎖定 lock
lock(syncRoot){ }這段程式碼使得物件實體由最先進入的那個執行緒建立，以後的執行緒在進入時不會再去建立物件實體了。由於有了lock，就保證了多執行緒環境下的同時存取也不會造成多個實體的產生。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
class Singleton {
//宣告一個靜態的類別變數
private static Singleton instance;
//程式執行時建立一個靜態唯讀的行程輔助物件
private static readonly object syncRoot = new object();
//建構式改為私有，讓外界無法 new實體
private Singleton() { }
//負責建立自己的唯一實體
public static Singleton GetInstance() {
//在同一時刻加了鎖的那部分程式，只有一個執行緒可以進入
lock(syncRoot) {
//如果實體不存在，就new 一個新的實體
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
為什麼不直接lock(instance)，而是再建立一個syncRoot來lock呢？
加鎖時，instance實體有沒有被建立過實體都還不知道，怎麼對它加鎖呢？
但，這樣就得每次調用GetInstance()方法時都需要lock，這種做法是會影響性能的。
雙重鎖定 Double-Check Locking
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
class Singleton {
//宣告一個靜態的類別變數
private static Singleton instance;
//程式執行時建立一個靜態唯讀的行程輔助物件
private static readonly object syncRoot = new object();
//建構式改為私有，讓外界無法 new實體
private Singleton() { }
//負責建立自己的唯一實體
public static Singleton GetInstance() {
//先判斷實體是否存在，不存在再加鎖lock處理
if(instance == null) {
//在同一時刻加了鎖的那部分程式，只有一個執行緒可以進入
lock(syncRoot) {
//如果實體不存在，就new 一個新的實體
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
為什麼外面已經判斷了instance實體是否存在，為什麼在lock裡面還需要做一次instance實體是否存在的判斷？
對於instance存在的情況，就直接返回，這沒有問題。當instance為null並且同時有兩個執行緒調用GetInstance()方法時，它們都可以透過第一重instance==null的判斷。然後由於lock機制，這兩個執行緒則只有一個進入，另一個在外排隊等候，必須要其中一個進入並出來後，另一個才能進入。
而此時如果沒有了第二重的instance是否為null的判斷，則第一個執行緒建立了實體，而第二個執行緒還是可以繼續再建立新的實體，這就沒有達到獨體的目的。
靜態初始化
類別加上sealed防止被繼承。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
//加上 sealed，阻止被繼承，因為繼承後可能會增加實體
sealed class Singleton {
//在第一次參考類別的任何成員時建立實體。CLR負責處理變數初化
public static readonly Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() { }
public static Singleton GetInstance() {
return instance;
}
}
- 「靜態初始化」的方式，是在自己被載入時，就將自己實體化。它是類別一載入就實體化的物件，所以要提前佔用系統資源。
- 原先的獨體模式處理方式，是要在第一次被參考時，才會將自己實體化。