分类

创建型模式

定义

单例模式(Singleton Pattern) 是几个创建型模式中最独立的一个，它的主要特点不是根据客户程序调用生成一个新的实例，而是控制某个类型的实例数量是唯一一个。

意图

单例模式的意图就是要保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

应用场景

• 创建一个对象需要消耗的资源过多，比如I/O与数据库的连接等。

应用案例

• WEB中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，但单例先缓冲起来。
• 要求生产唯一序列号。
• 一个班级只有一个班主任。
• 日志管理器。
• 一些设备管理器常常设计为单例模式。比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

角色与结构图

• Singleton：单例角色 保证只有一个实例和唯一的全局访问点。

下图解释了单例模式中各角色的作用

<<------------------------单例模式结构图--------------------------->>

示例代码

//单线程版本
public class Singleton
{
    // 唯一实例
    private static Singleton instance;
    // 封闭客户程序的直接实例化
    protected Singleton() { }   
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if (instance == null)
                instance=new Singleton();
            return instance;
        }
    }
}

//多线程版本
public class Singleton
{
    protected Singleton() { }
    private static volatile Singleton instance=null;
    /// Lazy方式创建唯一实例的过程
    public static Singleton Instance()
    {
        if (instance == null)           // 外层if
            lock (typeof(Singleton))    // 多线程中共享资源同步
                if (instance == null)   // 内层if
                    instance=new Singleton();
        return instance;
    }
}

多线程同步：在多线程环境中，volatile 用于保证一个线程对某个变量的修改可以被其他线程立即看到。
虽然它并不是一种同步机制（如 mutex 或 lock），
但它保证了对该变量的写操作不会被线程缓存，
确保了多线程环境下变量的一致性。

优点

• 在内存中只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例。(比如管理学院首页页面缓存)
• 避免对资源的多重占用。(比如些文件操作)

缺点

• 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外部怎样来实例化。

小结

• 实际上单例模式要做的就是通过控制类型实例的创建，确保后续使用的都是之前创建好的一个实例，通过这样的一个封装，客户程序就无须知道该类型实现的内部细节。其中的参与者就只有Singleton自己，它的职责是定义一个 Instance 操作（类成员或类方法、类属性），作为客户程序访问 Singleton 的一个，而且是唯一的一个实例。
• 主要解决？一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
• 何时使用？当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。
• 如何解决？判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
• 关键代码？构造函数是私有的。
• 注意：多线程时要加锁。

大结

动机：在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性，以及良好的效率。 这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。

一句话概括

某个类只能有一个实例，并且只提供一个全局访问点。