程序员面试题精选100题（45）－Singleton（C/C++/C#）

题目：设计一个类，我们只能生成该类的一个实例。
分析：只能生成一个实例的类是实现了Singleton模式的类型。
由于设计模式在面向对象程序设计中起着举足轻重的作用，在面试过程中很多公司都喜欢问一些与设计模式相关的问题。在常用的模式中，Singleton是唯一一个能够用短短几十行代码完整实现的模式。因此，写一个Singleton的类型是一个很常见的面试题。
事实上，要让一个类型是能创建一个实例不是一件很难的事情。我们可以把该类型的构造函数设为private，这样该类型的用户就不能创建该类型的实例了。然后我们在给类型中创建一个静态实例。当用户需要该类型的实例时，我们就返回这个实例。基于这个思路，我们可以用C#写出如下代码：
    // We can only get an instance of the class Singleton1. The instance
    // is created when class Singleton1 is referenced at the first time
    public sealed class Singleton1
    {
        private Singleton1()
        {
        }
 
        private static Singleton1 instance = new Singleton1();
        public static Singleton1 Instance
        {
            get
            {
                return instance;
            }
        }
    }
 
由于类Singleton1 的实例是一个静态变量，因此它会在该类型的第一次引用的时候被创建，而不是第一次在调用Singleton1.get_Instance的时候被创建。如果我们此时并不需要该实例，那么我们就过早地初始化该实例，无论在内存空间还是CPU时间上都是一种浪费。
我们可以把上面的代码稍作改动，就能实现在第一次调用Singleton_getInstance时候才会创建类型的唯一实例：
    // We can only get an instance of the class Singleton2.
    // The instance is created when we need it explicitly.
    public sealed class Singleton2
    {
        private Singleton2()
        {
        }
 
        private static Singleton2 instance = null;
        public static Singleton2 Instance
        {
            get
            {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton2();
 
                return instance;
            }
        }
    }
 
我们在单线程环境下只能得到类型Singleton2的一个实例，但在多线程环境下情况就可能不同了。设想如果两个线程同时运行到语句if (instance == null)，而此时该实例的确没有创建，那么两个线程都会创建一个实例。此时，类型Singleton2就不在满足模式Singleton的要求了。
为了保证在多线程环境下我们还是只能得到类型的一个实例，我们应该在判断实例是否已经创建，以及在实例还没有创建的时候创建一个实例的语句上加一个同步锁。我们把Singleton2稍作修改就得到了如下代码：
    // We can only get an instance of the class Singleton3,
    // even when there are multiple threads which are trying
    // to get an instance concurrently.
    public sealed class Singleton3
    {
        private Singleton3()
        {
        }
 
        private static readonly object syncObj = new object();
 
        private static Singleton3 instance = null;
        public static Singleton3 Instance
        {
            get
            {
                lock (syncObj)
                {
                    if (instance == null)
                        instance = new Singleton3();
                }
 
                return instance;
            }
        }
    }
 
说明一下，由于C/C++没有为线程同步提供直接的支持。为了让代码显得简洁，而不是让大量的代码在实现同步锁而偏离了实现Singleton的主题，本文的代码用C#实现。
我们还是假设有两个线程同时想创建一个实例。由于在一个时刻只能有一个线程能得到同步锁。当第一个线程加上锁时，第二个线程只能在等待。当第一个线程发现实例还没有创建时，它创建出一个实例。接着第一个线程释放同步锁。此时第二个线程可以加上同步锁，并运行接下来的代码。由于此时实例已经被第一个线程创建出来了，第二个线程就不会重复创建实例了。于是保证了我们只能得到一个实例。
但是类型Singleton3还不是完美。由于我们每次调用Singleton3.get_Instance的时候，都会试图加上一个同步锁。由于加锁是一个非常耗时的操作，在没有必要的时候我们应该尽量避免这样的操作。
实际上，我们只是在实例还没有创建之前需要加锁操作，以保证只有一个线程创建出实例。而当实例已经创建之后，我们已经不需要再做加锁操作了。于是，我们可以把上述代码再作进一步的改进：
    // We can only get an instance of the class Singleton4,
    // even when there are multiple threads which are trying
    // to get an instance concurrently. When the instance has
    // been created, we don't need the lock any more.
    public sealed class Singleton4
    {
        private Singleton4()
        {
        }
 
        private static object syncObj = new object();
 
        private static Singleton4 instance = null;
        public static Singleton4 Instance
        {
            get
            {
                if (instance == null)
                {
                    lock (syncObj)
                    {
                        if (instance == null)
                            instance = new Singleton4();
                    }
                }
 
                return instance;
            }
        }
    }
 
 我们只需要在最开始调用Singleton4_getInstance（可能来自一个线程，也可能来自多个线程）的时候需要加锁。当实例已经创建之后，我们就不再需要作加锁操作，从而在后续调用Singleton4_getInstance时性能得到提升。