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C#中单例模式CSingleton

article 2024/11/14 14:03:05

在 C# 中，单例模式是一种设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。单例模式常用于需要全局共享某个资源或对象的场景，如数据库连接、日志记录器等。

懒汉式（Lazy Initialization）单例模式

这种方式下，实例只会在第一次需要的时候创建，并且使用 lock 关键字来保证线程安全。

public class Singleton
{
    // 静态变量保存单例实例
    private static Singleton instance = null;

    // 静态锁对象，用于确保线程安全
    private static readonly object lockObj = new object();

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton()
    {
    }

    // 公共静态方法，用于获取单例实例
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            // 双重检查锁定（Double-checked Locking）
            if (instance == null)
            {
                lock (lockObj)
                {
                    if (instance == null)
                    {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

    // 示例方法
    public void DoSomething()
    {
        Console.WriteLine("Singleton is working.");
    }
}

饿汉式（Eager Initialization）单例模式

public class Singleton
{
    // 静态变量保存单例实例，并在类加载时创建实例
    private static readonly Singleton instance = new Singleton();

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton()
    {
    }

    // 公共静态方法，用于获取单例实例
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            return instance;
        }
    }

    // 示例方法
    public void DoSomething()
    {
        Console.WriteLine("Singleton is working.");
    }
}

两种单例模式的使用都是一样的：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Singleton singleton = Singleton.Instance;
        singleton.DoSomething();  // 输出：Singleton is working.
    }
}

使用 Lazy 实现懒加载的线程安全单例

C# 中有一个内置的 Lazy<T> 类型，专门用于实现懒加载。使用它可以大大简化懒汉式单例的实现，并且它自带线程安全。

public class Singleton
{
    // 使用 Lazy<T> 实现线程安全的懒加载
    private static readonly Lazy<Singleton> lazyInstance = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton()
    {
    }

    // 公共静态方法，用于获取单例实例
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            return lazyInstance.Value;
        }
    }

    // 示例方法
    public void DoSomething()
    {
        Console.WriteLine("Singleton is working.");
    }
}

单例模式的使用场景

单例模式常用于以下场景：

全局管理资源：如数据库连接池、日志记录器等全局共享的资源。
配置管理：某些应用程序全局配置只需要一个实例，例如读取配置文件。
线程池：用于管理线程的全局共享资源。
缓存：如果应用程序需要缓存一些数据，全局缓存管理器通常是一个单例。

优缺点

优点：

内存优化：确保只创建一个实例，节约系统资源。
全局访问：可以通过全局访问点获取实例，方便管理全局状态。
缺点：

隐藏依赖：使用单例模式时，全局状态可能变得不透明，导致代码难以测试和维护。
并发问题：如果单例对象负责多线程操作，必须保证线程安全，否则容易引发并发问题。

两种单例模式的区别

选择懒汉式还是饿汉式单例模式取决于具体的需求和场景，尤其是应用程序的性能、资源管理以及线程安全的考虑。

懒汉式单例（Lazy Initialization）

第一次需要时才会创建实例，通常使用 lock 机制来保证线程安全。以下是适合使用懒汉式单例的场景：

适用场景：

资源消耗大：如果实例的创建过程非常耗费资源（如需要加载大量数据或进行复杂的计算），那么使用懒汉式更为合适。这样可以避免在程序启动时就消耗大量资源，只有在需要使用时才初始化对象。
不确定实例是否会被使用：如果有可能该实例在程序的生命周期内不一定会被用到，那么使用懒汉式可以避免在程序启动时创建不必要的实例。例如，某个功能模块可能只在特定条件下才会被使用。
延迟加载优化：在某些场景下，延迟加载（Lazy Loading）有助于优化启动时间，避免过早加载未使用的对象，这可以提升程序启动性能。
优点：
避免不必要的资源消耗。
按需加载，提升启动性能。
缺点：
实现稍微复杂，需要使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）来确保线程安全。
在多线程环境中可能增加锁定带来的开销，尤其是访问频繁时。

饿汉式单例（Eager Initialization）

饿汉式单例是在类加载时立即创建实例，且是线程安全的，因为 .NET 运行时会确保静态字段的初始化是线程安全的。

适用场景：

创建实例开销小：如果单例实例的创建过程不会消耗太多资源，并且实例总是会被使用，那么饿汉式是更为合适的选择。这样可以简化实现，不需要进行线程同步处理。
确定实例总是会被使用：如果你知道该单例类在应用程序中肯定会被使用，并且尽早创建实例有助于提高性能，那么使用饿汉式更为合适。例如，某些全局的配置管理器、日志系统等全局资源通常在应用程序启动时就需要初始化。
需要线程安全且没有复杂的初始化逻辑：饿汉式的实现天然是线程安全的，且避免了懒汉式中为确保线程安全而引入的锁定开销。
优点：
实现简单，不需要考虑线程同步问题。
无需延迟加载，适用于那些程序一启动就会使用到的单例对象。
缺点：
即使不需要使用该实例，也会在程序启动时占用资源，可能造成浪费。
如果实例创建过程比较复杂，可能会影响程序的启动速度。

场景/因素	懒汉式单例	饿汉式单例
资源消耗	创建实例开销较大时优先选择	创建实例开销小可以考虑使用
使用频率	可能不一定使用单例，按需创建实例	确定会使用单例，在程序启动时就创建实例
程序启动性能	程序启动时不创建单例，避免影响启动性能	程序启动时创建实例，可能影响启动速度
线程安全	需要考虑线程安全，通常需要加锁	线程安全由静态初始化机制自动保证
实现复杂度	需要更复杂的代码结构，双重检查锁定等	实现简单，直接在类加载时创建实例