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

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."); } } }

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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。

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6. 输出结果

运行上述代码后，输出如下：

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

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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。

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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

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。