.Net设计模式之单例模式(Singleton)

什么是单例模式？

在软件系统中，有些类只需要存在唯一的一个实例对象，比如系统中的窗口管理器、文件系统、计时器等，这些对象在系统中只允许存在一个实例。单例模式就是为了满足这类需求而生的一种设计模式。

单例模式是指在整个应用程序中只能有一个实例对象的类。通常情况下，单例模式是指全局社区共享的一个唯一对象实例，比如一个窗口管理器。

单例模式的应用场景

• 一些类的对象只需要存在一个。 比如系统中唯一的日志记录器、数据库连接池等对象。
• 计数器或计时器的应用。 比如系统中可以有多个计数器或计时器，但是它们的值需要被整个系统共享。
• 创建对象时资源消耗过大，或者对象的生命周期过长。 比如系统中存在一个对象的创建需要大量的计算资源，或者该对象的生命周期很长，如果反复创建、销毁会导致系统资源浪费等问题。

实现单例模式的方法

饿汉式

饿汉式在类被加载的时候就创建了实例对象，并且对象在整个应用程序中都可以被访问。这种方法非常直观简单，但是存在性能问题，因为如果应用程序中没有用到该对象，那创建对象的操作就变成了一次无效的操作，浪费了系统资源。

public class Singleton {
    // 在类加载的时候就创建了对象
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 私有构造函数，避免外部对类进行实例化
    private Singleton() {}

    // 返回单例对象实例
    public static Singleton GetInstance() {
        return instance;
    }
}

懒汉式

懒汉式是指在第一次使用对象时才创建该对象的实例，并且只创建一个。这种方法可以避免浪费系统资源的问题，但是可能出现多线程访问时多次创建实例对象的问题，需要采取措施来保证线程安全。

public class Singleton {
    // 私有静态变量，保存单例对象实例
    private static Singleton instance = null;

    // 私有构造函数，避免外部对类进行实例化
    private Singleton() {}

    // 返回单例对象实例
    public static Singleton GetInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁定

此处所谓双重检查锁定就是指在多线程访问时，通过加锁的方式解决多次创建实例对象的问题。通过使用这种方法可以避免性能问题，并且保证线程安全。

public class Singleton {
    // 私有静态变量，保存单例对象实例
    private static Singleton instance = null;

    // 定义一个线程锁
    private static readonly object lockObject = new object();

    // 私有构造函数，避免外部对类进行实例化
    private Singleton() {}

    // 返回单例对象实例
    public static Singleton GetInstance() {
        // 第一重检查，判断对象是否已经存在了
        if(instance == null) {
            // 加锁，避免多个线程同时调用CreateInstance方法创建实例对象
            lock(lockObject) {
                // 第二重检查，判断对象是否已经存在了
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

示例说明

示例1：创建单例的计数器

在此示例中，我们创建了一个计数器类，它可以实现对应用程序中所有计数器对象进行计数，同时确保整个应用程序中只有一个计数器对象实例。

public class Counter {
    private static readonly object lockObject = new object();
    private static Counter instance = null;

    public int Count { get; private set; }

    private Counter() {}

    public static Counter GetInstance() {
        if(instance == null) {
            lock(lockObject) {
                if(instance == null) {
                    instance = new Counter();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public void Add() {
        Count++;
    }

    public void Reset() {
        Count = 0;
    }
}

示例2：创建单例的配置管理器

在此示例中，我们创建了一个配置管理器类，它可以实现对应用程序中所有配置信息进行管理，同时确保整个应用程序中只有一个配置管理器对象实例。

public class ConfigManager {
    private static readonly object lockObject = new object();
    private static ConfigManager instance = null;

    private Dictionary<string, string> configDict = new Dictionary<string, string>();

    private ConfigManager() {}

    public static ConfigManager GetInstance() {
        if(instance == null) {
            lock(lockObject) {
                if(instance == null) {
                    instance = new ConfigManager();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public void AddConfig(string key, string value) {
        if(!configDict.ContainsKey(key)) {
            configDict.Add(key, value);
        }
    }

    public string GetConfig(string key) {
        if(configDict.ContainsKey(key)) {
            return configDict[key];
        }
        return null;
    }

    public void RemoveConfig(string key) {
        if(configDict.ContainsKey(key)) {
            configDict.Remove(key);
        }
    }
}

以上就是单例模式的设计和实现方法及示例说明。需要注意的是，单例模式不适用于存在多个实例对象的场景，否则会导致应用程序出现严重的设计问题。