C#单例模式(Singleton Pattern)详解

什么是单例模式？

单例模式是一种经典的设计模式之一，它保证一个类仅有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局性入口点。

为什么需要单例模式？

有些情况下，我们需要确保在程序运行期间，某个类只存在一个实例，例如日志记录器或数据库连接器等。这些单例对象通常被频繁使用，如果每次需要使用的时候都创建一个新的实例，会导致系统性能下降，甚至出现错误。

单例模式的出现就是为了解决这个问题。通过单例模式，我们可以确保在整个应用程序生命周期内仅存在一个对象实例，而且提供全局访问点。

如何实现单例模式？

在C#语言中，有几种通用的方式来实现单例模式，如下所示：

1. 饿汉式

饿汉式指的是当类被加载时便直接初始化单例对象，这样可以确保任何时候都可以访问该对象，但是也会带来一定的性能开销。

下面是一个简单的示例：

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton Instance
    {
        get{ return instance; }
    }
}

在饿汉式中，将单例对象的初始化工作放在了静态代码块中，确保了在第一次调用时单例对象已经被创建，不会出现多线程的问题。

2. 懒汉式

懒汉式指的是只有在第一次需要实例化对象时才会创建单例对象，这样可以避免在程序启动的时候就创建对象，节约了内存和性能。

下面是一个简单的示例：

public sealed class Singleton
{
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if(instance == null)
            {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

在懒汉式中，我们通过延迟对象的创建来实现懒加载，第一次调用获取单例对象时才会创建对象，确保了在程序中起到单例的作用。

3. 双重校验锁式

双重校验锁式指的是在懒汉式的基础上加强了对多线程环境下的安全性。

下面是一个简单的示例：

public sealed class Singleton
{
    private static volatile Singleton instance;
    private static readonly object lockObj = new object();

    private Singleton(){}

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if(instance == null)
            {
                lock(lockObj)
                {
                    if(instance == null)
                    {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
}

在双重校验锁式中，我们通过加锁确保了在多线程环境下只有一个线程可以创建对象，从而保证了单例对象的唯一性和线程安全性。

总结

本文详细讲解了C#单例模式的概念、原理和实现方式。在程序设计时，选择合适的单例模式实现方式可以提高程序的性能和效率，减少对系统资源的损耗。

示例说明

示例1

我们可以通过单例模式来实现Windows应用程序中，只有一个主窗体实例的功能。

public sealed class MainForm
{
    private static MainForm instance;

    private MainForm(){}

    public static MainForm Instance
    {
        get
        {
            if(instance == null)
            {
                instance = new MainForm();
            }
            return instance;
        }
    }
}

在程序运行期间，通过调用MainForm.Instance来获取主窗体实例，保证了整个应用程序生命周期内只存在一个主窗体。

示例2

我们可以通过单例模式来实现游戏中只有一个主角实例的功能。

public sealed class Hero
{
    private static volatile Hero instance;
    private static readonly object lockObj = new object();

    private Hero(){}

    public static Hero Instance
    {
        get
        {
            if(instance == null)
            {
                lock(lockObj)
                {
                    if(instance == null)
                    {
                        instance = new Hero();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
}

在游戏开发中，通过调用Hero.Instance来获取主角实例，保证了游戏中只存在一个主角。