設計模式 : 單例模式

前言

昨天在寫 WPF應用 的時候，遇到了一個 static 的問題。呼叫方要求 function 必須是 static，但偏偏這個 function 又不太好直接 static。

在一通折騰之後，順便從同事那裡學到一個新招: 單例模式。

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單例模式

單例模式是一種設計模式，目的是用來確保在一定情況下只有一個實例被建立，並且開放一個全局接口讓外部使用這個實例。如此一來就不用到處在各個地方 new 一個實例出來，不但消耗資源，某些情況下也不好管理。

以下用 C# 做實作。

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簡單實作

假設我寫了一個類別(MessageControl)，用於控制訊息的各種操作。

public class MessageControl
{
    public MessageControl() { }
    public void PrintMessage()
    {
        Console.WriteLine("Hello, I am Singleton");
    }
}

一般來說如果要使用這個 class，就必須為其 new 一個實體。然後再呼叫裡面的 PrintMessage()。

MessageControl msgctrl = new MessageControl();
msgctrl.PrintMessage();

但是，如果我要在各個地方呼叫 PrintMessage()，很多時候就必須再 new 一個實例出來，最終就會有一堆實例，並且他們做的事情可能都是一樣的。

要解決這個問題，就可以使用單例模式。讓實例只需在 class 內部建立一次，並開放一個全局接口取用，並且每次取用時先判斷實例是否已建立，已經建立的話就直接 return 建立好的那一個就可以了。

public class MessageControl
{
    private static MessageControl instance; // 宣告實例
    private MessageControl() { }
    public static MessageControl GetInstance() // 全局接口
    {
        if (instance == null) { instance = new MessageControl(); } // 若未建立過，就建立實例
        return instance;
    }

    // Method function
    public void PrintMessage()
    {
        Console.WriteLine("Hello, I am Singleton");
    }
}

如此一來，不管在任何地方，都只要呼叫此類別的 GetInstance()，他會幫我們視情況建立唯一的自己的實例。之後就可以安心地使用這個類別了。

MessageControl.GetInstance().PrintMessage();

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「懶漢式」與「餓漢式」

上一段的例子屬於「懶漢式」（Lazy Initialization）。只有在初次使用的時候才會建立實例。

那我們可不可以在程式初始化的時候就將實例先建立出來? 當然可以，此情況也被稱為「餓漢式」（Eager Initialization）。懶漢比較懶，餓漢則比較積極的感覺。

public class MessageControl
{
    private static MessageControl instance = new MessageControl();
    private MessageControl() { }
    public static MessageControl GetInstance()
    {
        return instance;
    }

    // Method function
    // ......
}

就真的只是把 new MessageControl() 在宣告實例時一併建立而已。

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雙重檢查鎖定（Double-Check Locking）

雖然說懶漢式可以在需要時才建立實例，但會有一個問題，那就是在多線程的情況下，若有同時來了兩個訪問，那就麻煩了，因此我們需要 「雙重檢查鎖定」（Double-Check Locking）。

public class MessageControl
{
    private static MessageControl instance;
    private static readonly object lockObject = new object();
    private MessageControl() { }
    public static MessageControl GetInstance()
    {
        if (instance == null)
        {
            lock (lockObject)
            {
                if (instance == null)
                {
                    instance = new MessageControl();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    // Method function
    // ......
}

如此一來 lockObject 可以確保 lock 區域一次只會有一個線程進入。

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靜態內部類

如果希望將內部靜態封裝（Static Inner Class），對外部進行隱藏的話，也可以。

public class MessageControl
{
    // private 防止在外部實例化
    private MessageControl() { }
    private static class SingletonHolder{
        internal static readonly MessageControl INSTANCE = new MessageControl();
    } 
    public static MessageControl GetInstance()
    {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    // Method function
    // ......
}

以上。