C#中的单例模式

一般的，设计模式中用到单例模式，代码通常会如下：

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public sealed class Singleton
{
    private static Singleton instance=null;

    private Singleton()
    {
    }

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

代码比较简单，用到一个公有的静态属性和一个私有的静态字段。并且把构造函数设为私有，防止该类被实例化。

但上述代码在多线程情况下并不可靠。有一种情况下。2个线程在get的时候，都检测到instance==null，因此各自创建了一个Singleton对象，破坏了单例的原则。

因此改进后的代码就是加锁。

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;
            }
        }
    }
}

加锁之后，多线程的操作也变的同步了，同一时间只能有获得锁的那个线程才能创建对象。这保证了对象的唯一，但是这个会损耗性能。

因为每次get的时候，都会加锁，因此可以把代码修改一下，如果对象已经存在了，就不需要加锁来创建对象。代码修改如下：

public sealed class Singleton
{
    private static volatile Singleton instance = null;
    private static readonly object padlock = new object();

    Singleton()
    {
    }

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

仔细看一下，就会发现，上述代码中，有2次检测instance == null，因此也成为双重检测。注意，由于Java中内存模型的问题，上述双重检测代码，对Java不一定有效。

在C#代码中，考虑下面的场景，有2个线程A,B

1.A线程进入get

2.A线程检测到instance==null

3.A线程获得锁

4.A线程实例化一个对象

5.B线程进入get

6.B线程检测是否instance==null

问题出现在第4,5,6步骤。

当第4步执行的时候，很有可能出现这种情况，CLR为Singleton对象在托管堆上分配了空间，并且让instance指向了这个空间，然后再去调用Singleton的构造函数。而漏洞就在这里，线程B可能未等到线程A运行完Singleton的构造函数，就进入get检测instance！=null，认为对象不是null，然后就直接返回instance，而此时，instance指向的值还在初始化呢，这就可能导致线程B得到的对象是没完全初始化成功的，可能引起代码错误。当然，这种错误的可能性非常少见，但还是会有一定的概率。

因此，上述代码中instance变量加了一个关键字volatile，加它的作用，是为了访问这个instance的时候，确保instance分配了空间并且初始化完成了（volatile确保该字段在任何时间呈现的都是最新的值）。

如果不使用volatile关键字，也可以将instance = new Singleton();语句替换成Interlocked.Exchange(ref instance,new Singleton())。

在C#中，对于实现单例模式，更为推崇的方法是使用静态变量初始化。

有些设计模式的书中，避免使用静态初始化的原因之一是C++ 规范在静态变量的初始化顺序方面留下了一些多义性。幸运的是，.NET Framework 通过其变量初始化处理方法解决了这种多义性：

public sealed class Singleton
{
   private static readonly Singleton instance = new Singleton();
   
   private Singleton(){}

   public static Singleton Instance
   {
      get 
      {
         return instance; 
      }
   }
}

CLR保证了静态字段初始化操作总是线程安全的，无论多少线程同时访问该类，类中的静态字段只可能被初始化一次（每个应用程序域）。

这是因为，类中的静态字段的初始化，是由类的静态构造函数完成的，C#编译器检测到类中有静态字段后，会为该类生产一个静态构造函数（可以从IL代码中看到.cctor方法），也就是说下面代码是等价的：

class SomeType{
    Static int x = 5;
    }

等价于

class SomeType
{
    Static int x;
    Static SomeType()
    {
        x = 5;
    }
}

因此上述的instance只会初始化一次。保证了单例。这种方法使用了CLR的特性，对于其他语言并不保证，是.NET平台上推崇的一种实现singleton的方式。

上述实现方法有个不足在于不能延迟加载对象，如果Singleton中还有其他静态字段，引用该静态字段的时候，会导致Singleton被创建了。因此，可以在该类中再嵌套一个类来实现延迟加载。如下：

public sealed class Singleton
{
    private Singleton()
    {
    }

    public static Singleton Instance { get { return Nested.instance; } }
        
    private class Nested
    {
        internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
    }
}

上述代码，只有当访问Instance属性的时候，才会触发Nested类的静态字段，从而初始化一个Singleton对象，因此实现了延迟加载，但是设计比较复杂，不推荐使用。

在.NET4.0中，还有一种更优雅的方法实现延迟加载，即使用Lazy对象。

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Lazy lazy =
        new Lazy(() => new Singleton());
    
    public static Singleton Instance { get { return lazy.Value; } }

    private Singleton()
    {
    }
}

可以参考之前总结的文章http://cnn237111.blog.51cto.com/2359144/1213187

参考：

http://csharpindepth.com/Articles/General/Singleton.aspx#unsafe

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ff650316.aspx

http://mcwilling.blog.163.com/blog/static/1950971712013357359564/

NET4.0面向对象编程漫谈基础篇.金旭亮