單例模式 | 大話設計模式

引子：類也需要計畫生育#

小菜寫了一個 MDI 應用，「工具箱」窗體應該最多只出現一個。但他在按鈕事件裡每次 new FormToolbox()，於是按越多次就跳越多個工具箱。

這個類超生了——大鳥用「計畫生育」的比喻形容這個情境。

第一輪：判斷是否為 null#

把 FormToolbox 提升為類別變數，在開啟前判斷：

private FormToolbox ftb;

private void ToolStripMenuItemToolbox_Click(object sender, EventArgs e)
{
    if (ftb == null)
    {
        ftb = new FormToolbox();
        ftb.MdiParent = this;
        ftb.Show();
    }
}

啟動工具箱後關閉再點擊按鈕，會出現「已經 Disposed」異常——關閉只是 Dispose，不會把 ftb 設為 null。

修正：增加 IsDisposed 判斷。

if (ftb == null || ftb.IsDisposed) { ... }

並提取為 openToolbox() 方法給多個地方呼叫，避免複製貼上。

第二輪：誰負責判斷？#

父母的計畫生育責任在他們自己，不是別人。
同樣道理：「工具箱」是否實例化過，應由「工具箱自己」判斷，而不是由 Form1 來判斷。

實作方式：

把建構子改為 private，外界不能 new
提供一個 public static GetInstance() 方法，由類別自己決定回傳已存在的或新建一個

public partial class FormToolbox : Form
{
    private static FormToolbox ftb = null;

    private FormToolbox()
    {
        InitializeComponent();
    }

    public static FormToolbox GetInstance()
    {
        if (ftb == null || ftb.IsDisposed)
        {
            ftb = new FormToolbox();
            ftb.MdiParent = Form1.ActiveForm;
        }
        return ftb;
    }
}

客戶端：

private void ToolStripMenuItemToolbox_Click(object sender, EventArgs e)
    => FormToolbox.GetInstance().Show();

private void toolStripButton1_Click(object sender, EventArgs e)
    => FormToolbox.GetInstance().Show();

單例模式#

單例模式（Singleton Pattern）：保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全域訪問點。[DP]

結構#

classDiagram
    class Singleton {
        -Singleton instance$
        -Singleton()
        +GetInstance() Singleton$
    }

class Singleton
{
    private static Singleton instance;

    private Singleton() { }

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

全域變數能讓物件被訪問，但不能阻止實例化多個物件。
最好的辦法：讓類別自身負責保存它的唯一實例。

單例 vs. 實用類#

兩者都常用私有建構子，但：

實用類（如 .NET 的 Math）：不保存狀態，只提供靜態方法／屬性；不能被繼承多型
單例：有狀態；可以被子類繼承

多執行緒下的單例#

多執行緒環境下，多個執行緒同時呼叫 GetInstance()，可能造成創建多個實例。

加鎖（lock）：

class Singleton
{
    private static Singleton instance;
    private static readonly object syncRoot = new object();

    private Singleton() { }

    public static Singleton GetInstance()
    {
        lock (syncRoot)
        {
            if (instance == null)
                instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

不能 lock(instance)——加鎖時 instance 可能還沒被建立，沒辦法對 null 加鎖。
因此用一個獨立的 syncRoot 物件作為鎖。

雙重鎖定（Double-Check Locking）#

每次呼叫都加鎖會影響效能。改良為雙重鎖定：

public static Singleton GetInstance()
{
    if (instance == null)             // 第一重檢查
    {
        lock (syncRoot)
        {
            if (instance == null)     // 第二重檢查
                instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
}

為什麼需要兩重檢查？

對於已存在的情況，第一重判斷直接回傳，不用進入鎖
當 instance 為 null 且兩個執行緒同時通過第一重時，lock 只讓一個進入；第二重判斷防止第二個執行緒在第一個執行緒建立後再次建立實例

靜態初始化（餓漢式）#

C# 與公共語言運行庫提供了一種靜態初始化方式，不需顯式編寫執行緒安全程式碼即可解決多執行緒問題：

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

sealed：阻止派生（派生可能增加實例）
readonly：意味著只能在靜態初始化期間或類別建構函式中分配變數

餓漢式（靜態初始化）：類別載入時就實例化，提前佔用系統資源
懶漢式（前面的雙重鎖定）：第一次被引用時才實例化，面臨多執行緒安全問題，需要雙重鎖定處理
實際選用視需求而定。對 C# 而言，餓漢式通常已足夠。