23种设计模式之《单例模式（Singleton）》在c#中的应用及理解

程序设计中的主要设计模式通常分为三大类，共23种：

1. 创建型模式（Creational Patterns）

单例模式（Singleton）：确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。
工厂方法模式（Factory Method）：定义创建对象的接口，由子类决定实例化哪个类。
抽象工厂模式（Abstract Factory）：提供一个创建一系列相关或依赖对象的接口，而无需指定具体类。
建造者模式（Builder）：将一个复杂对象的构建与其表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示。
原型模式（Prototype）：通过复制现有对象来创建新对象。

2. 结构型模式（Structural Patterns）

适配器模式（Adapter）：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。
桥接模式（Bridge）：将抽象部分与实现部分分离，使它们可以独立变化。
组合模式（Composite）：将对象组合成树形结构以表示"部分-整体"的层次结构。
装饰器模式（Decorator）：动态地给对象添加职责，相比生成子类更为灵活。
外观模式（Facade）：为子系统中的一组接口提供一个统一的接口。
享元模式（Flyweight）：通过共享技术有效地支持大量细粒度对象。
代理模式（Proxy）：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

3. 行为型模式（Behavioral Patterns）

责任链模式（Chain of Responsibility）：使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者与接收者耦合。
命令模式（Command）：将请求封装为对象，使你可以用不同的请求对客户进行参数化。
解释器模式（Interpreter）：给定一个语言，定义其文法的一种表示，并定义一个解释器。
迭代器模式（Iterator）：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不暴露其内部表示。
中介者模式（Mediator）：定义一个中介对象来封装一系列对象之间的交互。
备忘录模式（Memento）：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。
观察者模式（Observer）：定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象改变状态时，所有依赖者都会收到通知并自动更新。
状态模式（State）：允许对象在其内部状态改变时改变其行为。
策略模式（Strategy）：定义一系列算法，将它们封装起来，并使它们可以互相替换。
模板方法模式（Template Method）：定义一个操作中的算法骨架，将一些步骤延迟到子类中。
访问者模式（Visitor）：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作，使你可以在不改变各元素类的前提下定义作用于这些元素的新操作。

下面是一个使用C#实现的单例模式示例代码，并附有详细的文字说明。

4. 单例模式代码示例

csharp

cs 复制代码

using System;

public class Singleton
{
    // 1. 定义一个静态变量来保存类的唯一实例
    private static Singleton _instance;

    // 2. 私有构造函数，防止外部通过new创建实例
    private Singleton()
    {
        Console.WriteLine("Singleton instance created.");
    }

    // 3. 提供一个全局访问点来获取唯一实例
    public static Singleton GetInstance()
    {
        // 如果实例不存在，则创建一个新的实例
        if (_instance == null)
        {
            _instance = new Singleton();
        }
        return _instance;
    }

    // 4. 示例方法
    public void DoSomething()
    {
        Console.WriteLine("Doing something in Singleton instance.");
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 获取单例实例
        Singleton singleton1 = Singleton.GetInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.GetInstance();

        // 调用实例方法
        singleton1.DoSomething();
        singleton2.DoSomething();

        // 检查两个实例是否相同
        if (singleton1 == singleton2)
        {
            Console.WriteLine("singleton1 and singleton2 are the same instance.");
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("singleton1 and singleton2 are different instances.");
        }
    }
}

5. 代码说明

静态变量 _instance
- _instance 是一个静态变量，用于保存类的唯一实例。
- 由于是静态的，它在整个应用程序生命周期中只会存在一个实例。
私有构造函数
- 构造函数被声明为 private，防止外部代码通过 new 关键字直接创建实例。
- 这是单例模式的核心，确保类的实例化只能由类自身控制。
全局访问点 GetInstance
- GetInstance 是一个静态方法，用于提供对单例实例的全局访问。
- 如果 _instance 为 null，则创建一个新的实例并赋值给 _instance；否则直接返回现有的实例。
- 这种方法称为"懒汉式单例"，因为实例是在第一次访问时才创建的。
示例方法 DoSomething
- 这是一个普通的方法，用于演示单例实例的功能。
- 你可以通过单例实例调用这个方法。
主程序验证
- 在 Main 方法中，通过 GetInstance 获取两个单例实例 singleton1 和 singleton2。
- 调用它们的 DoSomething 方法，并检查它们是否是同一个实例。
- 如果输出显示 singleton1 和 singleton2 是同一个实例，则说明单例模式实现成功。

6. 输出结果

运行上述代码后，输出如下：

cs 复制代码

Singleton instance created.
Doing something in Singleton instance.
Doing something in Singleton instance.
singleton1 and singleton2 are the same instance.

7. 单例模式的特点

唯一性
- 确保一个类只有一个实例。
全局访问点
- 提供一个全局访问点，方便其他代码获取该实例。
延迟初始化
- 实例在第一次被访问时才创建，节省资源。
线程安全问题
- 上述代码在单线程环境下是安全的，但在多线程环境下可能会创建多个实例。
- 可以通过加锁（lock）或使用静态构造函数来确保线程安全。

8. 线程安全的单例模式（改进版）

如果需要支持多线程环境，可以使用以下改进版代码：

csharp

cs 复制代码

using System;

public class Singleton
{
    private static readonly object _lock = new object();
    private static Singleton _instance;

    private Singleton()
    {
        Console.WriteLine("Singleton instance created.");
    }

    public static Singleton GetInstance()
    {
        if (_instance == null)
        {
            lock (_lock)
            {
                if (_instance == null)
                {
                    _instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return _instance;
    }

    public void DoSomething()
    {
        Console.WriteLine("Doing something in Singleton instance.");
    }
}

使用 lock 关键字确保多线程环境下只有一个线程可以创建实例。
双重检查锁定（Double-Check Locking）进一步优化性能，避免每次访问都加锁。