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细颗粒度Singleton模式实现

發(fā)布時(shí)間：2025/6/17 编程问答 31 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了细颗粒度Singleton模式实现小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

作為一個(gè)很典型的設(shè)計(jì)模式，Singleton模式常常被用來展示設(shè)計(jì)模式的技巧，并且隨著技術(shù)的演進(jìn)，.NET語言和Java都已經(jīng)把經(jīng)典《Design Patterns : Elements of Reusable Object-Oriented Software》中所定義的Singleton模式作了完善，例如C#可以通過這樣一個(gè)非常精簡(jiǎn)但又很完美的方式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)進(jìn)程內(nèi)部線程安全的Singleton模式。

C#?最經(jīng)典Singleton模式的實(shí)現(xiàn)（Lazy構(gòu)造方式）public?class?Singleton
{
????private?static?Singleton?instance;???//?唯一實(shí)例
????protected?Singleton()?{?}???//?封閉客戶程序的直接實(shí)例化
????public?static?Singleton?Instance????
????{
????????get
????????{
????????????if?(instance?==?null)
????????????????instance?=?new?Singleton();
????????????return?instance;
????????}
????}

C# 通過Double Check實(shí)現(xiàn)的相對(duì)線程安全的Singleton模式?

public?class?Singleton
{
????protected?Singleton()?{?}
????private?static?volatile?Singleton?instance?=?null;
????///?Lazy方式創(chuàng)建唯一實(shí)例的過程
????public?static?Singleton?Instance()
????{
????????if?(instance?==?null)???????????//?外層if
????????????lock?(typeof(Singleton))????//?多線程中共享資源同步
????????????????if?(instance?==?null)???//?內(nèi)層if
????????????????????instance?=?new?Singleton();
????????return?instance;
????}

C#充分依靠語言特性實(shí)現(xiàn)的間接版Singleton模式

class?Singleton
{
????private?Singleton()?{?}
????public?static?readonly?Singleton?Instance?=?new?Singleton();

但項(xiàng)目中我們往往需要更粗或者更細(xì)顆粒度的Singleton，比如某個(gè)線程是長時(shí)間運(yùn)行的后臺(tái)任務(wù)，它本身存在很多模塊和中間處理，但每個(gè)線程都希望有自己的線程內(nèi)單獨(dú)Singleton對(duì)象，其他線程也獨(dú)立操作自己的線程內(nèi)Singleton，所謂的線程級(jí)Singleton其實(shí)他的實(shí)例總數(shù) = 1（每個(gè)線程內(nèi)部唯一的一個(gè)） * N （線程數(shù)）= N。

.NET程序可以通過把靜態(tài)成員標(biāo)示為System. ThreadStaticAttribute就可以確保它指示靜態(tài)字段的值對(duì)于每個(gè)線程都是唯一的。但這對(duì)于Windows Form程序很有效，對(duì)于Web Form、ASP.NET Web Service等Web類應(yīng)用不適用，因?yàn)樗麄兪窃谕粋€(gè)IIS線程下分割的執(zhí)行區(qū)域，客戶端調(diào)用時(shí)傳遞的對(duì)象是在HttpContext中共享的，也就是說它本身不可以簡(jiǎn)單地通過System. ThreadStaticAttribute實(shí)現(xiàn)。不僅如此，使用System. ThreadStaticAttribute也不能很瀟灑的套用前面的內(nèi)容寫成：

C#
[ThreadStatic]
public?static?readonly?Singleton?Instance?=?new?Singleton();

因?yàn)榘凑?NET的設(shè)計(jì)要求不要為標(biāo)記為它的字段指定初始值，因?yàn)檫@樣的初始化只會(huì)發(fā)生一次，因此在類構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行時(shí)只會(huì)影響一個(gè)線程。在不指定初始值的情況下，如果它是值類型，可依賴初始化為其默認(rèn)值的字段，如果它是引用類型，則可依賴初始化為null。也就是說多線程情況下，除了第一個(gè)實(shí)例外，其他線程雖然也期望通過這個(gè)方式獲得唯一實(shí)例，但其實(shí)獲得就是一個(gè)null，不能用。

解決Windows Form下的細(xì)顆粒度Singleton問題

對(duì)于Windows Forms下的情況，可以通過System. ThreadStaticAttribute比較容易的高速CLR其中的靜態(tài)唯一屬性Instance僅在本線程內(nèi)部靜態(tài)，但麻煩的是怎么構(gòu)造它，正如上面背景介紹部分所說，不能把它放到整個(gè)類的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)里，也不能直接初始化，那么怎么辦？還好，那個(gè)很cool的實(shí)現(xiàn)這里不適用的話，我們就退回到最經(jīng)典的那個(gè)lazy方式加載Singleton實(shí)例的方法。你可能覺得，這線程不安全了吧？那種實(shí)現(xiàn)方式確實(shí)不是線程安全，但我們這里的Singleton構(gòu)造本身就已經(jīng)運(yùn)行在一個(gè)線程里面了，用那種不安全的方式在線程內(nèi)部實(shí)現(xiàn)只有自己“一畝三分地”范圍內(nèi)Singleton的對(duì)象反而安全了。新的實(shí)現(xiàn)如下：

public?class?Singleton
{
????private?Singleton()?{?}

????[ThreadStatic]??//?說明每個(gè)Instance僅在當(dāng)前線程內(nèi)靜態(tài)
????private?static?Singleton?instance;

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

Unit Test
///?每個(gè)線程需要執(zhí)行的目標(biāo)對(duì)象定義///?同時(shí)在它內(nèi)部完成線程內(nèi)部是否Singleton的情況
class?Work
{
????public?static?IList?Log?=?new?List();
????///?每個(gè)線程的執(zhí)行部分定義
????public?void?Procedure()
????{
????????Singleton?s1?=?Singleton.Instance;
????????Singleton?s2?=?Singleton.Instance;
????????//?證明可以正常構(gòu)造實(shí)例
????????Assert.IsNotNull(s1);
????????Assert.IsNotNull(s2);
????????//?驗(yàn)證當(dāng)前線程執(zhí)行體內(nèi)部?jī)纱我玫氖欠駷橥粋€(gè)實(shí)例
????????Assert.AreEqual(s1.GetHashCode(),?s2.GetHashCode());
????????//登記當(dāng)前線程所使用的Singleton對(duì)象標(biāo)識(shí)
????????Log.Add(s1.GetHashCode());
????}
}

[TestClass]
public?class?TestSingleton
{
????private?const?int?ThreadCount?=?3;
????[TestMethod]
????public?void?Test()
????{
????????//?創(chuàng)建一定數(shù)量的線程執(zhí)行體
????????Thread[]?threads?=?new?Thread[ThreadCount];
????????for?(int?i?=?0;?i?<?ThreadCount;?i++)
????????{
????????????ThreadStart?work?=?new?ThreadStart((new?Work()).Procedure);
????????????threads[i]?=?new?Thread(work);
????????}
????????//?執(zhí)行線程
????????foreach?(Thread?thread?in?threads)?thread.Start();

????????//?終止線程并作其他清理工作
????????//?...?...

????????//?判斷是否不同線程內(nèi)部的Singleton實(shí)例是不同的
????????for?(int?i?=?0;?i?<?ThreadCount?-?1;?i++)
????????????for?(int?j?=?i?+?1;?j?<?ThreadCount;?j++)
????????????????Assert.AreNotEqual(Work.Log[i],?Work.Log[j]);
????}
}

下面我們分析一下單元測(cè)試代碼說明的問題：

在Work.Procedure()方法中，兩次調(diào)用到了Singleton類的Instance靜態(tài)屬性，經(jīng)過驗(yàn)證是同一個(gè)Singleton類實(shí)例。同時(shí)由于Singleton類的構(gòu)造函數(shù)定義為私有，所以線程（客戶程序）無法自己實(shí)例化Singleton類，因此同時(shí)滿足該模式的設(shè)計(jì)意圖；
通過對(duì)每個(gè)線程內(nèi)部使用的Singleton實(shí)例登記并檢查，確認(rèn)不同線程內(nèi)部其實(shí)掌握的是不同實(shí)例的引用，因此滿足我們需要實(shí)現(xiàn)的細(xì)顆粒度（線程級(jí)）的意圖；
解決Web Form下細(xì)顆粒度Singleton問題。

上面用ThreadStatic雖然解決了Windows Form的問題，但對(duì)于Web Form應(yīng)用而言并不適用，原因是Web Form應(yīng)用中每個(gè)會(huì)話的本地全局區(qū)域不是線程，而是自己的HttpContext，因此相應(yīng)的Singleton實(shí)例也應(yīng)該保存在這個(gè)位置。實(shí)現(xiàn)上我們只需要做少許的修改，就可以完成一個(gè)Web Form下的細(xì)顆粒度Singleton設(shè)計(jì)：

注：這里的Web Form應(yīng)用包括ASP.NET Application、ASP.NET Web Service、ASP.NET AJAX等相關(guān)應(yīng)用。但示例并沒有在.NET Compact Framework和.NET Micro Framework的環(huán)境下進(jìn)行過驗(yàn)證。

public?class?Singleton
{
????///?足夠復(fù)雜的一個(gè)key值，用于和HttpContext中的其他內(nèi)容相區(qū)別
????private?const?string?Key?=?"just.complicated..singleton";
????private?Singleton()?{?}

????public?static?Singleton?Instance
????{
????????get
????????{
????????????//?基于HttpContext的Lazy實(shí)例化過程
????????????Singleton?instance?=?(Singleton)HttpContext.Current.Items[Key];
????????????if?(instance?==?null)
????????????{
????????????????instance?=?new?Singleton();
????????????????HttpContext.Current.Items[Key]?=?instance;
????????????}
????????????return?instance;
????????}
????}

//Unit?Test
using?System;
using?System.Web;
using?MarvellousWorks.PracticalPattern.SingletonPattern.WebContext;
using?Microsoft.VisualStudio.TestTools.UnitTesting;
namespace?SingletonPattern.Test.Web
{
????public?partial?class?_Default?:?System.Web.UI.Page
????{
????????protected?void?Page_Load(object?sender,?EventArgs?e)
????????{
????????????Singleton?s1?=?Singleton.Instance;
????????????Singleton?s2?=?Singleton.Instance;
????????????//?確認(rèn)獲得的Singleton實(shí)例引用確實(shí)已經(jīng)被實(shí)例化了
????????????Assert.IsNotNull(s1);
????????????Assert.IsNotNull(s2);
????????????//?確認(rèn)兩個(gè)引用調(diào)用的是同一個(gè)Singleton實(shí)例
????????????Assert.AreEqual(s1.GetHashCode(),?s2.GetHashCode());
????????????//?顯示出當(dāng)前Singleton實(shí)例的標(biāo)識(shí)，用于比較與其他
????????????//?HttpContext環(huán)境下的Singleton實(shí)例其實(shí)是不同的實(shí)例
????????????instanceHashCode.Text?=?s1.GetHashCode().ToString();
????????}
????}
}瀏覽器效果

同上，這段單元測(cè)試驗(yàn)證了Web Form下的細(xì)顆粒度Singleton，通過將唯一實(shí)例的存儲(chǔ)位置從當(dāng)前線程遷移到HttpContext，一樣可以實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒度的Singleton設(shè)計(jì)意圖。

更通用的細(xì)顆粒度Singleton

但如果你是一個(gè)公共庫或者是公共平臺(tái)的設(shè)計(jì)者，您很難預(yù)料到自己的類庫會(huì)運(yùn)行在Windows Form還是Web Form環(huán)境下，但Singleton模式作為很多公共機(jī)制，最常用的包括技術(shù)器、時(shí)鐘等等又常常會(huì)成為其他類庫的基礎(chǔ)，尤其當(dāng)涉及到業(yè)務(wù)領(lǐng)域邏輯的時(shí)候，很難在開發(fā)過程就約定死運(yùn)行的模式。怎么辦？

這里借助一個(gè)工具類，通過它判斷當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境是Web Form還是Windows Form，然后作一個(gè)2 in 1的細(xì)顆粒度Singleton（，聽起來有點(diǎn)象早年的任天堂游戲卡），不過就像我們提到的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的單一職責(zé)原則一樣，把兩個(gè)和在一起會(huì)產(chǎn)生一些比較難看的冗余代碼，但Singleton與其他設(shè)計(jì)模式有個(gè)很顯著的區(qū)別——他不太希望被外部機(jī)制實(shí)例化，因?yàn)樗３謱?shí)例的唯一性，因此一些常用的依賴倒置技巧在這里又顯得不太適用。這里實(shí)現(xiàn)一個(gè)稍有些冗余的Web Form + Windows Form 2 in 1的細(xì)顆粒度Singleton如下：

UML

C# 工具類GenericContext

///?判斷當(dāng)前應(yīng)用是否為Web?應(yīng)用的Helper?方法（非官方方法）
private?static?bool?CheckWhetherIsWeb()
{
????bool?result?=?false;
????AppDomain?domain?=?AppDomain.CurrentDomain;
????try
????{
????????if?(domain.ShadowCopyFiles)
????????????result?=?(HttpContext.Current.GetType()?!=?null);
????}
????catch?(System.Exception){}
????return?result;

//C#?2in?1的細(xì)顆粒度Singleton模式實(shí)現(xiàn)
using?System;
using?System.Web;
using?MarvellousWorks.PracticalPattern.Common;
namespace?MarvellousWorks.PracticalPattern.SingletonPattern.Combined
{
????public?class?Singleton
????{
????????private?const?string?Key?=?"marvellousWorks.practical.singleton";
????????private?Singleton()?{?}?????//?對(duì)外封閉構(gòu)造
????????[ThreadStatic]
????????private?static?Singleton?instance;

????????public?static?Singleton?Instance
????????{
????????????get
????????????{
????????????????//?通過之前準(zhǔn)備的GenericContext中非官方的方法
????????????????//?判斷當(dāng)前執(zhí)行模式是Web?Form還是非Web?Form
????????????????//?本方法沒有在?.NET?的?CF?和?MF?上驗(yàn)證過
????????????????if?(GenericContext.CheckWhetherIsWeb())?????//?Web?Form
????????????????{
????????????????????//?基于HttpContext的Lazy實(shí)例化過程
????????????????????Singleton?instance?=?(Singleton)HttpContext.Current.Items[Key];
????????????????????if?(instance?==?null)
????????????????????{
????????????????????????instance?=?new?Singleton();
????????????????????????HttpContext.Current.Items[Key]?=?instance;
????????????????????}
????????????????????return?instance;
????????????????}
????????????????else??//?非Web?Form方式
????????????????{
????????????????????if?(instance?==?null)
????????????????????????instance?=?new?Singleton();
????????????????????return?instance;
????????????????}
????????????}
????????}
????}
}

小結(jié)

設(shè)計(jì)模式中很多意圖部分表述的要求其實(shí)也都是有語意范圍的，比如說“唯一”、“所有相關(guān)”、“一系列相互依賴的”等，但項(xiàng)目中往往有自己定制化的要求，可能的話建議盡量用語言、語言運(yùn)行環(huán)境的特性完成這些工作。

?原文地址：
http://www.infoq.com/cn/articles/fine-grained-singleton-pattern

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/jeriffe/articles/2142996.html

《新程序員》：云原生和全面數(shù)字化實(shí)踐50位技術(shù)專家共同創(chuàng)作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的细颗粒度Singleton模式实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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