作者：周旭龙 出处：http://edisonchou.cnblogs.com 设计模式的征途—1.单例（Singleton）模式

　　单例模式属于创建型模式的一种，创建型模式是一类最常用的设计模式，在软件开发中应用非常广泛。创建型模式将对象的创建和使用分离，在使用对象时无需关心对象的创建细节，从而降低系统的耦合度，让设计方案更易于修改和扩展。每一个创建型模式都在视图回答3个问题：3W -> 创建什么（What）、由谁创建（Who）和何时创建（When）。

　　本篇是创建型模式的第一篇，也是最简单的一个设计模式，虽然简单，但是其使用频率确是很高的。

单例模式（Singleton）

学习难度：★☆☆☆☆

使用频率：★★★★☆

一、单例模式的动机

　　相信大家都使用过Windows任务管理器，我们可以做一个尝试：在Windows任务栏的右键菜单上多次点击“启动任务管理器”，看能否打开多个任务管理器窗口。正常情况下，无论我们启动多少次，Windows系统始终只能弹出一个任务管理器窗口。也就是说，在一个Windows系统中，任务管理器存在唯一性。

　　在实际开发中，我们经常也会遇到类似的情况，为了节约系统资源，有时候需要确保系统中某个类只有唯一一个实例，当这个唯一实例创建成功之后，无法再创建一个同类型的其他对象，所有的操作都只能基于这个唯一实例。为了确保对象的唯一性，可以通过创建单例模式来实现，这也就是单例模式的动机所在。

二、单例模式概述

2.1 要点

单例（Singleton）模式：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建模式。

　　单例模式有3个要点：

• 某个类只能有一个实例
• 它必须自行创建这个实例
• 它必须自行向整个系统提供这个实例　　

2.2 结构图

　　从上图中可以看出，单例模式结构图中只包含了一个单例的角色。

　　Singleton（单例）：

• 在单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的GetInstance()方法，让客户可以访问它的唯一实例；
• 为了防止在外部对单例类实例化，它的构造函数被设为private；
• 在单例类的内部定义了一个Singleton类型的静态对象，作为提供外部共享的唯一实例。

三、负载均衡器的设计

3.1 软件需求

　　假设M公司成都分公司的IT开发部门承接了一个服务器负载均衡器（Load Balance）软件的开发，该软件运行在一台负载均衡服务器上面，可以将并发访问和数据流量分发到服务器集群中的多台设备上进行并发处理，提高系统的整体处理能力，缩短响应时间。由于集群中的服务器需要动态增减，且客户端请求需要统一分发，因此需要确保负载均衡器的唯一性，即只能有一个负载均衡器实例来管理服务器和分发请求，否则会带来服务器状态的不一致以及请求的分配冲突等问题。

　　如何确保负载均衡器的唯一性成为了这个软件成功地关键。

3.2 撸起袖子加油干

　　成都分公司的开发人员通过分析和权衡，决定使用单例模式来设计这个负载均衡器，于是撸起袖子画了一个结构图如下：

　　在上图所示的UML图中，将LoadBalancer类设计为了单例类，其中包含了一个存储服务器信息的集合serverList，每次在serverList中随机选择一台服务器来响应客户端的请求，其实现代码如下：

    /// <summary>/// 假装自己是一个负载均衡器/// </summary>public class LoadBalancer{// 私有静态变量，存储唯一实例private static LoadBalancer instance = null;// 服务器集合private IList<CustomServer> serverList = null;

    </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 私有构造函数</span><span style="color: #0000ff;">private</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer(){serverList </span>= <span style="color: #0000ff;">new</span> List&lt;CustomServer&gt;<span style="color: #000000;">();}</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 公共静态成员方法，返回唯一实例</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer GetLoadBalancer(){</span><span style="color: #0000ff;">if</span> (instance == <span style="color: #0000ff;">null</span><span style="color: #000000;">){instance </span>= <span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer();}</span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> instance;}</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 添加一台Server</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> AddServer(CustomServer server){serverList.Add(server);}</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 移除一台Server</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">void</span> RemoveServer(<span style="color: #0000ff;">string</span><span style="color: #000000;"> serverName){</span><span style="color: #0000ff;">foreach</span> (<span style="color: #0000ff;">var</span> server <span style="color: #0000ff;">in</span><span style="color: #000000;"> serverList){</span><span style="color: #0000ff;">if</span><span style="color: #000000;"> (server.Name.Equals(serverName)){serverList.Remove(server);</span><span style="color: #0000ff;">break</span><span style="color: #000000;">;}}}</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 获得一台Server - 使用随机数获取</span><span style="color: #0000ff;">private</span> Random rand = <span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> Random();</span><span style="color: #0000ff;">public</span><span style="color: #000000;"> CustomServer GetServer(){</span><span style="color: #0000ff;">int</span> index =<span style="color: #000000;"> rand.Next(serverList.Count);</span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> serverList[index];}
}</span><span style="color: #808080;">///</span> <span style="color: #808080;">&lt;summary&gt;</span>
<span style="color: #808080;">///</span><span style="color: #008000;"> 假装自己是一台服务器
</span><span style="color: #808080;">///</span> <span style="color: #808080;">&lt;/summary&gt;</span>
<span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">class</span><span style="color: #000000;"> CustomServer
{</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">string</span> Name { <span style="color: #0000ff;">get</span>; <span style="color: #0000ff;">set</span><span style="color: #000000;">; }</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">int</span> Size { <span style="color: #0000ff;">get</span>; <span style="color: #0000ff;">set</span><span style="color: #000000;">; }
}</span></pre>

    public class Program{public static void Main(string[] args){LoadBalancer balancer, balancer2, balancer3;balancer = LoadBalancer.GetLoadBalancer();balancer2 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();balancer3 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();

        </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 判断负载均衡器是否相同</span><span style="color: #0000ff;">if</span> (balancer == balancer2 &amp;&amp; balancer == balancer3 &amp;&amp; balancer2 ==<span style="color: #000000;"> balancer3){Console.WriteLine(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">^_^ : 服务器负载均衡器是唯一的！</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">);}</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 增加服务器</span>balancer.AddServer(<span style="color: #0000ff;">new</span> CustomServer() { Name = <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">Server 1</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;"> });balancer.AddServer(</span><span style="color: #0000ff;">new</span> CustomServer() { Name = <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">Server 2</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;"> });balancer.AddServer(</span><span style="color: #0000ff;">new</span> CustomServer() { Name = <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">Server 3</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;"> });balancer.AddServer(</span><span style="color: #0000ff;">new</span> CustomServer() { Name = <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">Server 4</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;"> });</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 模拟客户端请求的分发</span><span style="color: #0000ff;">for</span> (<span style="color: #0000ff;">int</span> i = <span style="color: #800080;">0</span>; i &lt; <span style="color: #800080;">10</span>; i++<span style="color: #000000;">){CustomServer server </span>=<span style="color: #000000;"> balancer.GetServer();Console.WriteLine(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">该请求已分配至 : </span><span style="color: #800000;">"</span> +<span style="color: #000000;"> server.Name);}Console.ReadKey();}
}</span></pre>

    public class LoadBalancer{// 私有静态变量，存储唯一实例private static readonly LoadBalancer instance = new LoadBalancer();

    ......</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 公共静态成员方法，返回唯一实例</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer GetLoadBalancer(){</span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> instance;}
}</span></pre>

    public class LoadBalancer{// 私有静态变量，存储唯一实例private static LoadBalancer instance = null;private static readonly object syncLocker = new object();

    ......</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 公共静态成员方法，返回唯一实例</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer GetLoadBalancer(){</span><span style="color: #0000ff;">if</span> (instance == <span style="color: #0000ff;">null</span><span style="color: #000000;">){</span><span style="color: #0000ff;">lock</span><span style="color: #000000;"> (syncLocker){instance </span>= <span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer();}}</span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> instance;}
}    </span></pre>

    public class LoadBalancer{// 私有静态变量，存储唯一实例private static LoadBalancer instance = null;private static readonly object syncLocker = new object();

    ......</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 公共静态成员方法，返回唯一实例</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer GetLoadBalancer(){</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 第一重判断</span><span style="color: #0000ff;">if</span> (instance == <span style="color: #0000ff;">null</span><span style="color: #000000;">){</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 锁定代码块</span><span style="color: #0000ff;">lock</span><span style="color: #000000;"> (syncLocker){</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 第二重判断</span><span style="color: #0000ff;">if</span> (instance == <span style="color: #0000ff;">null</span><span style="color: #000000;">){instance </span>= <span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer();}}}</span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> instance;}
}</span></pre>

    public class LoadBalancer{......

    </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 公共静态成员方法，返回唯一实例</span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer GetLoadBalancer(){</span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> Nested.instance;}</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;"> 使用内部类+静态构造函数实现延迟初始化</span><span style="color: #0000ff;">class</span><span style="color: #000000;"> Nested{</span><span style="color: #0000ff;">static</span><span style="color: #000000;"> Nested() { }</span><span style="color: #0000ff;">internal</span> <span style="color: #0000ff;">static</span> <span style="color: #0000ff;">readonly</span> LoadBalancer instance = <span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> LoadBalancer();}......
}</span></pre>

作者：周旭龙

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