C# 中的单例设计模式（附示例）

C# 中的单例模式是什么？

单例模式是一种设计技术，它在保持对象访问的同时，限制了在一个类中可以实例化的对象的数量。

当系统需要协调操作，并且需要精确地只有一个对象时，这种模式就很有用。因此，为了确保一个给定的类只会被创建一个实例，并在程序运行期间提供对该实例的轻松全局访问，我们必须使用 C# 中的单例设计模式。

上图展示了多个客户端 - 客户端 A、客户端 B 和客户端 C - 如何争夺单例实例。在获得单例实例后，客户端可以使用同一个实例调用方法 1、方法 2 和方法 n。如果这看起来还不清楚，不用担心；我们将在实践中进行讨论。

C# 中单例设计模式的实现指南

• 必须声明一个私有且无参数的构造函数。
• 这是必需的，因为它阻止了在类外部实例化该类。它只能在该类内部被实例化。
• 类应标记为 sealed (密封)，以防止其被继承。这在处理嵌套类时会很有用。
• 我们必须构建一个私有的静态变量来引用该类的单例实例。
• 还必须创建一个公共静态属性或方法来返回该类的单例实例。该方法或属性首先检查是否已创建了单例类的实例。
• 如果已创建，则返回单例实例；如果没有，则会创建一个实例然后返回。

使用 C# 的单例设计模式示例

让我们通过一些示例来更好地理解 C# 的单例设计模式。C# 中的单例设计模式有多种实现方式。它们列在下面。

• 使用 lock 在 C# 中实现线程安全单例缺少了线程安全单例设计模式。
• 双重检查锁定用于实现线程安全单例设计模式。
• 使用饿汉式加载实现线程安全单例设计模式 使用 Lazy 类实现懒汉式加载单例设计模式。

C# 中不存在线程安全单例设计模式

本教程将介绍 C# 中非线程安全单例设计模式的实现。

在这种情况下，Singleton 类被声明为 sealed，这意味着禁止从派生类继承。为了防止在类外部实例化该类，在创建类时使用了私有无参构造函数。但是，我们能够创建该类的实例。为了确保仅根据 null 条件创建一个类实例，我们再次将实例变量声明为 private 并将其初始化为 null 值。

尽管我们调用了两次 GetInstance 方法并报告计数器值为 1，但上面的输出清楚地表明私有构造函数只被调用了一次。因此，它证明了单例实例只被创建一次。在上面的示例中，我们没有以线程安全的方式实现单例设计模式。这意味着它可以在多线程环境中创建单例类的多个实例。

使用 C# 单例模式有什么优点？

在 C# 中应用单例设计模式有一些优点。它们如下。

• 使用 C# 的单例设计模式有几个好处，最主要的是它管理对共享资源的并发访问。
• 这意味着，如果单例设计模式被多个客户端同时访问，它能有效地管理对资源的并发访问。
• 它具有静态初始化，能够懒加载并共享主数据和配置数据，这些数据在应用程序中很常见且不经常更新。
• 在这种情况下，我们必须缓存内存对象。由于它提供了一个到特定实例的单一全局访问点，因此易于维护。
• 以减少重复实例化大型对象的开销。

使用 C# 单例模式有什么缺点？

以下是缺点：

• 单元测试是一个重大挑战，因为它为程序添加了全局状态。
• 由于您必须使用锁来序列化对象以访问多线程环境中的单例实例，因此它降低了程序内并行的可能性。

何时使用 C# 单例设计模式？

C# 中的单例模式可能在以下场景中很有用：

处理共享资源：单例可用于处理共享资源，例如：

数据库连接池。能够管理所有文件相关任务的文件管理器。

当多个应用程序组件需要存储和检索对象时使用的缓存。

配置设置：当应用程序范围内的配置对象需要从多个位置访问时，可以使用单例来存储和检索其配置设置。

日志记录：可以通过单例日志记录器类记录应用程序中发送的消息。使用单例是有意义的，以避免冲突并确保一致性，因为日志记录通常涉及写入单个资源（如文件或控制台）。

硬件接口访问：当与打印机或串行端口等硬件资源交互时，单例可以确保协调访问，从而避免多个访问点可能引起的冲突。

性能考虑：某些类在实例化时需要大量资源。如果这种实例经常使用，单例是一个很好的选择，因为一次创建并重复使用它们效率更高。

何时不使用 C# 单例设计模式？

虽然了解何时不应用单例模式也很重要，但

测试困难：由于单例在测试之间保持状态，因此单元测试可能具有挑战性。由于测试不独立，这种状态的持续存在可能导致难以查明问题。

全局状态管理：使用单例会在您的程序中创建全局状态，这可能导致不同类之间存在看不见的依赖关系，并增加系统的复杂性和不可预测性。

并发问题：在多线程应用程序中使用单例时，它们可能会导致同步和并发问题，特别是如果单例状态是可变的。

可伸缩性和灵活性的限制：单例可能会限制可伸缩性和灵活性。随着应用程序的扩展，它们经常成为瓶颈，并且由于其广泛的影响，更改单例实现可能很困难。

过度使用和滥用：开发人员在寻找确保类只有一个实例的简单方法时，常常过度使用单例，而没有充分理解其影响。不正确使用它可能导致设计问题，直到后期才显现。

我们使用 C# 单例设计模式的实时场景

以下是一些 C# 单例设计模式可能很有用的现实世界情况：

• 配置管理：应用程序的配置设置通常使用单例进行管理。单例确保应用程序的每个组件都对配置参数有统一的视图，这些参数在应用程序的生命周期中通常是恒定的，并且从多个位置访问。
• 日志记录：日志记录框架经常使用单例。无论程序中的哪个区域生成日志条目，单例日志记录器都能确保它们集中且格式一致。此外，它还控制日志文件访问，避免冲突并确保线程安全。
• 数据库连接：通过使用单例来管理数据库连接，您可以确保应用程序使用一致的共享连接池。这种方法可以避免频繁创建和关闭连接的开销，同时提高性能。
• 硬件接口通信：对于与打印机、摄像机或条形码扫描仪等硬件设备通信的应用程序，单例可以提供集中的管理点。这避免了冲突和重复工作，并确保了协调访问。
• 缓存：单例对于缓存很有用，缓存是指存储和重用难以获取的数据（例如复杂数据库查询的答案）。单例缓存可确保在整个程序中缓存数据的全局可访问性和一致性。

当然！让我们更深入地探讨 C# 中单例模式的某些方面。

懒惰初始化

在先前提供的实现中，通过 Lazy 类实现了懒惰初始化。通过使用懒惰初始化，单例对象仅在首次访问时创建。这在创建单例对象可能需要大量资源的情况下，或者当您想等到实际需要时才创建它时特别有用。

静态属性

由于 Instance 字段被标记为 static，因此无需创建 Singleton 类的实例即可访问 Singleton 实例。此属性提供了对 Singleton 实例的全局可访问点。

私有构造函数

由于 Singleton 类的构造函数是私有的，因此其他程序无法直接创建其实例。这维护了单例模式的原则，即一个类应该只有一个实例。

其他需要考虑的事项

饿汉式初始化：如果不需要懒惰初始化，您可以在类加载时或在实际需要之前随时预先创建单例实例。

序列化：如果您的单例类必须能够被序列化，您可能需要执行特定的处理，以防止反序列化创建额外的实例。

内存泄漏：在长期运行的应用程序中应谨慎使用单例模式，因为它可能导致内存泄漏，特别是如果它在程序整个运行期间持有资源。

牢记这些要点，您可以编写一个健壮的 C# 单例实现，有效地完成其工作。通过采用封锁类以防止子类继承、确保私有构造函数以防止直接实例化、提供静态属性以进行全局访问以及使用 Lazy 类进行懒惰初始化等策略，您可以设计一个可靠的 C# 单例实现。此外，根据程序的需要，您应该考虑预先初始化、序列化和潜在的内存泄漏。

结论

总而言之，C# 中的单例模式可确保一个类只有一个实例，并提供对其的全局访问点。在实现单例设计时，应考虑懒惰初始化、线程安全、禁止子类继承以及管理实例创建等因素。

总的来说，当少量应用并仔细考虑其后果时，单例模式可以成为管理 C# 应用程序中的全局数据和资源的有用工具。