Question

题目：设计一个类，我们只能生成该类的一个实例。

只能生成一个实例的类是实现了Singleton（单例）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。

不好的解法一：只适用于单线程环境

由于要求只能生成一个实例，因此我们必须把构造函数设为私有函数以禁止他人创建实例。我们可以定义一个静态的实例，在需要的时候创建该实例。下面定义类型Singleton1就是基于这个思路的实现：

上述代码在Singleton的静态属性Instance中，只有在instance为null的时候才创建一个实例以避免重复创建。同时我们把构造函数定义为私有函数，这样就能确保只创建一个实例。

不好的解法二：虽然在多线程环境中能工作但效率不高

解法一中的代码在单线程的时候工作正常，但在多线程的情况下就有问题了。设想如果两个线程同时运行到判断instance是否为null的if语句，并且instance的确没有创建时，那么两个线程都会创建一个实例，此时类型Singleton1就不再满足单例模式的要求了。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，需要加上一个同步锁。把Singleton1稍做修改得到了如下代码：

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。这个时候由于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，这样就保证了我们在多线程环境中也只能得到一个实例。

但是类型Singleton2还不是很完美。我们每次通过属性Instance得到Singleton2的实例，都会试图加上一个同步锁，而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。

可行的解法：加同步锁前后两次判断实例是否已存在

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。于是我们可以把解法二中的代码再做进一步的改进：

Singleton3中只有当instance为null即没有创建时，需要加锁操作。当instance已经创建出来之后，则无须加锁。因为只在第一次的时候instance为null，因此只在第一次试图创建实例的时候需要加锁。这样Singleton3的时间效率比Singleton2要好很多。

Singleton3用加锁机制来确保在多线程环境下只创建一个实例，并且用两个if判断来提高效率。这样的代码实现起来比较复杂，容易出错，我们还有更加优秀的解法。

强烈推荐的解法一：利用静态构造函数

C#的语法中有一个函数能够确保只调用一次，那就是静态构造函数，我们可以利用C#这个特性实现单例模式如下：

Singleton4的实现代码非常简洁。我们在初始化静态变量instance的时候创建一个实例。由于C#是在调用静态构造函数时初始化静态变量，.NET运行时能够确保只调用一次静态构造函数，这样我们就能够保证只初始化一次instance。

C#中调用静态构造函数的时机不是由程序员掌控的，而是当.NET运行时发现第一次使用一个类型的时候自动调用该类型的静态构造函数。因此在Singleton4中，实例instance并不是第一次调用属性Singleton4.Instance的时候创建，而是在第一次用到Singleton4的时候就会被创建。假设我们在Singleton4中添加一个静态方法，调用该静态函数是不需要创建一个实例的，但如果按照Singleton4的方式实现单例模式，则仍然会过早地创建实例，从而降低内存的使用效率。

强烈推荐的解法二：实现按需创建实例

最后的一个实现Singleton5则很好地解决了Singleton4中的实例创建时机过早的问题：

在上述Singleton5的代码中，我们在内部定义了一个私有类型Nested。当第一次用到这个嵌套类型的时候，会调用静态构造函数创建Singleton5的实例instance。类型Nested只在属性Singleton5.Instance中被用到，由于其私有属性他人无法使用Nested类型。因此当我们第一次试图通过属性Singleton5.Instance得到Singleton5的实例时，会自动调用Nested的静态构造函数创建实例instance。如果我们不调用属性Singleton5.Instance，那么就不会触发.NET运行时调用Nested，也不会创建实例，这样就真正做到了按需创建。

解法比较

在前面的5种实现单例模式的方法中，第一种方法在多线程环境中不能正常工作，第二种模式虽然能在多线程环境中正常工作但时间效率很低，都不是面试官期待的解法。在第三种方法中我们通过两次判断一次加锁确保在多线程环境能高效率地工作。第四种方法利用C#的静态构造函数的特性，确保只创建一个实例。第五种方法利用私有嵌套类型的特性，做到只在真正需要的时候才会创建实例，提高空间使用效率。如果在面试中给出第四种或者第五种解法，毫无疑问会得到面试官的青睐。

源代码：

本题完整的源代码详见02_Singleton项目。

本题考点：

- 考查对单例（Singleton）模式的理解。

- 考查对C#的基础语法的理解，如静态构造函数等。

- 考查对多线程编程的理解。

本题扩展：

在前面的代码中，5种单例模式的实现把类型标记为sealed，表示它们不能作为其他类型的基类。现在我们要求定义一个表示总统的类型President，可以从该类型继承出FrenchPresident和AmericanPresident等类型。这些派生类型都只能产生一个实例。请问该如何设计实现这些类型？