[C#面試問題]Singleton instance相關問題

主要翻譯自http://www.csharpstar.com/csharp-interview-questions-part-1/，再加上我自己的一點想法。

What is the difference between Static class and Singleton instance?

– In c# a static class cannot implement an interface. When a single instance class needs to implement an interface for some business reason or IoC purposes, you can use the Singleton pattern without a static class.
– You can clone the object of Singleton but, you can not clone the static class object
– Singleton object stores in Heap but, static object stores in stack
– A singleton can be initialized lazily or asynchronously while a static class is generally initialized when it is first loaded

Static class和Singleton instance有什麼不同？
Singleton的意思就是程式中只能有一個實體。

1. 在C#當中，static class無法實作interface。如果一個single instance class需要實做一個interface，或是需要控制反轉(IoC)的時候，你可以使用Singleton instance而不需要static class。
   

   *控制反轉我覺得這篇文章（用超人的故事讲解 IoC（控制反转） 和 DI（依赖注入））講得蠻清楚的。

2. 在Singleton instance中物件是可以被複製的，但是static class則不行。
3. Singleton instance裡的物件是存在heap(堆積)，而static class則是存在stack（堆疊）。
   

   在Memory的管理中，物件內容會存放於Heap，而物件參考(指標)是存放於Stack。部分程式語言(像是比較早期的objective-C 或是C++)Heap是需要自己釋放記憶體空間的，而C#則是用了CLR來接管heap，加上GC原則上是不用自己去釋放，但是還是會有memory leak的可能，最明顯的例子就是office interop這種COM+ object，或是SharePoint的SPSite。（不知道SharePoint2016有沒有改善）
   比方說我們可以從以下的code來看物件在heap中的生命週期：
   

   Cat cat = new Cat();
   
   Cat.Name = "Sumomo";
   
   public void ChangeName(Cat c)
   {
       c.Name = "Sora";
   }
   

   在這邊ChangeName function傳入的變數c並不是Cat的值，而是point，所以當進入ChangeName的時候在heap中會有兩個point，都指向Cat。而修改值只是修改heap中的參考，當離開function之後就進入ChangeName function的物件就會被回收。
   
   另外在C#當中Stack中存放參數（value），Heap存放物件(reference type)。比方說，int x = 42;這段語法會在stack中存放一個42的值。
   如果我們再建立一個object指向x
   object o = x;
   這時候x轉換成o時是將x變數的值複製一份到o在Heap 裡的空間，這個作業稱為boxing。如果我們再把object o再轉一次放進另一個變數y
   int y = (int)o;
   這時就會再把o的值複製一份到stack中，這個動作稱之為unboxing
   *String是例外，所有的string都是reference type。

4. Singleton instance可以initialize lazily或是非同步執行，而static class則是會在第一次執行的時候被初始化。

Why singleton pattern is considered an Anti-pattern ?

– Singletons aren’t easy to handle with unit tests. You can’t control their instantiation and they may retain state across invocations.
– Memory allocated to an Singleton can’t be freed.
– In multithreaded environment, access to the singleton object may have to be guarded (e.g. via synchronization).
– Singletons promote tight coupling between classes, so it is hard to test

 為什麼Singleton instance被認為是一種Anti-pattern?

1.  Singleton instance不容易做unit test，因為你無法控制它的實作，又很容易殘留。
2. 在 Singleton instance中allocate的記憶體無法被回收
3.  在多執行緒的環境當中，如果用到Singleton物件可能會被鎖定，造成資源競爭。是可以加上同步的機制，但會造成效能低落。雖然可以透過Lazy Instantization，但這並不是thread-safe的寫法。
4.  Singleton instance會造成class之間的高度耦合，所以不容易測試。

結語
Singleton instance不是不能用，只是設計的時候要更小心，在對的地方使用。