C# 中的单例与静态类（附示例）

C# 中单例和静态类之间有什么相似之处？

在讨论它们之间的差异之前，让我们先来讨论一下 C# 中单例和静态类之间的共同点。

在程序运行期间，任何给定时间，静态类或单例类在内存中都只能有一个实例。

它们都拥有应用程序的全局状态，所有客户端共享。

线程安全可以应用于单例类以及静态类。

C# 中单例与静态类之间的区别

单例和静态类之间的主要区别在于，后者是一种布局风格，而前者是一种语言特性。因此，它们属于两个不同的地方。考虑到这一点，让我们来讨论一下 C# 单例和静态类之间的区别。

• 在 C# 中，无法创建静态类的实例。实际上，在内存中只有一个静态类副本，但我们作为开发者无法创建静态类的实例。然而，开发者可以创建一个单例类的单个实例，然后在整个应用程序中多次重用它。
• 编译器在编译期间内部将静态类视为 C# 中的抽象类和密封类。因此，我们不将静态类用作继承的子类或创建实例。
• 单例类的构造函数始终被指定为私有。因此，我们无法在单例类之外创建实例。它提供了一个公共静态方法或公共静态属性，其功能是在单例类外部每次调用公共静态方法/属性时，只生成一次单例实例并返回它。
• 单例类可以被预先加载（即，延迟初始化），或者在程序或命名空间加载时被公共语言运行时 (CLR) 自动加载。
• 在 C# 中，您可以继承其他类并实现接口。换句话说，允许使用单例类进行继承。然而，单例类只能作为子类形成。
• 单例类不能用于创建子类。静态类则不能有这种情况。因此，在 C# 中，单例类比静态类提供了更大的灵活性。
• 静态类不能被克隆，但单例类对象可以被克隆（使用 MemberwiseClone 方法，我们可以创建克隆对象的深拷贝和浅拷贝）。静态类不能被销毁，但其对象可以。单例类可以被释放。
• 由于静态类不是接口驱动的，因此我们无法使用它来实现依赖注入设计模式。
• 作用域是应用程序级别的，因为单例指的是应用程序生命周期中的单个对象。作用域是应用程序域级别的，因为静态类没有对象指针。

C# 中静态类与单例类的内存管理

C# 的静态类和单例类的内存管理不清楚。栈内存不包含静态变量或静态类。静态类和变量存储在称为高频堆的堆内存区域中。由于垃圾回收器无法访问此区域，因此内存只能在关联的进程或应用程序域卸载时才能释放。

C# 中的静态类示例 - 温度转换器

这是一个静态类的示例，其中包含两个方法，用于在摄氏度和华氏度之间转换温度。我们可以确定摄氏度和华氏度之间的转换公式是不会改变的。因此，正如下面所示，我们可以使用带有静态方法的静态类来处理转换。

C# 中的单例 VS 静态类

在 C# 中，有两种不同的设计模式——静态类和单例——它们各自具有独特的属性和用途。在 C# 中，让我们对比一下静态类和单例类。

单例类

• 初始化：单例的构造函数或不同的初始化方法可用于提供复杂的初始化逻辑。
• 继承：如果单例类不是密封的，则可以继承它；然而，这可能会通过允许子类中有多个实例来违反单例模式。
• 状态管理：单例类可能具有实例特定的状态和行为。
• 用途：在需要单一协调点或控制点的场景中，单例通常用于管理资源、配置设置、日志记录、数据库连接以及相关任务。

静态类

• 目的：静态类的目的是构建不需要实例化或状态维护的辅助类、实用类或其他类。静态类具有所有静态成员。
• 创建实例：无法为静态类创建实例。本质上，它是一群不动的人。
• 初始化：由于无法创建静态类，因此它们无法具有实例特定的初始化逻辑。
• 继承：静态类不可继承或扩展。它们被自然密封。
• 状态管理：通常使用静态类来实现不依赖于实例特定状态的字段、属性和方法。
• 用途：在构建库、扩展方法、实用函数和其他类型的应用程序时，可以使用静态类来组织相关功能，而无需实例。

关键区别

• 实例化：无法实例化静态类，但单例允许一个实例。
• 内存分配：当创建实例时，静态类为其静态成员分配内存，而不是为其实例分配内存。单例也是如此。
• 方法类：静态类只有静态方法，而单例可以拥有实例方法。
• 接口和继承：静态类无法实现接口或继承其他类，但单例可以。
• 线程安全：静态类没有实例，但如果它们保持状态，静态成员访问应该是线程安全的。单例实现可能需要特殊处理。

用例

• 单例：当一个类的单个实例需要全局可访问并保留状态时，请使用单例。
• 静态类：对于不需要实例化对象或维护状态的实用函数，静态类是最佳选择。

您选择静态类还是单例取决于您的需求。对于具有潜在状态和初始化逻辑的单个全局可访问实例，请使用单例。当您需要一组静态成员以实现组织或实用目的且不需要实例时，请使用静态类。

当然，让我们更详细地探讨这些概念，并提供有关 C# 静态类和单例类的更具体细节。

单例模式

• 延迟初始化：单例通常使用延迟初始化来仅在需要时创建实例，从而降低内存消耗并提高效率。在传统实现中，实例在首次调用 Instance 属性时创建。
• 线程安全：在多线程环境中，特别是，单例实现必须保证线程安全。典型方法包括使用 Lazy 进行延迟初始化、双重检查锁定和锁定机制（lock 语句）。
• 生命周期管理：单例可能采用各种生命周期管理技术，例如
• 应用程序生命周期：实例在应用程序的整个生命周期内存在。
• 每次请求生命周期：在 Web 应用程序中，为每个 HTTP 请求创建一个实例。使用自定义逻辑来管理实例的生命周期称为自定义生命周期管理。
• 处置：如果单例实例需要处置其拥有的资源，则应使用 IDisposable 接口。为避免内存泄漏并释放资源，请确保正确进行处置。

静态类

• 可修改性和继承：与单例类相比，静态类的功能较少，因为它们不能在运行时修改或继承。静态类更不灵活，因为任何更改都需要直接修改代码。
• 命名空间组织：静态类有助于将相关的属性和方法分组到单个命名空间中。它们可以作为常量、扩展方法和实用函数的存储空间。
• 线程安全：由于静态类不跟踪实例，因此它们本质上是线程安全的。它们不需要任何锁定机制，并且所有线程共享。
• 性能：由于静态类不需要创建实例或使用实例数据的内存，因此它们的性能通常优于单例。

内存管理

• 单例：如果单例实例管理不当，可能会导致应用程序在运行时出现内存泄漏。如果单例类拥有资源，请确保它们被正确处置。
• 静态类：与单例相比，静态类使用的内存更少，因为它们不存储任何实例数据。当应用程序域卸载时，它们会从内存中移除。

继承

• 单例：单例类可以通过继承进行扩展和专门化。派生类可以添加功能并更改行为。
• 静态类：静态类的可扩展性有限，因为它们不能被实例化或继承。但它们可以应用于继承层次结构。

当您想确保一个类在整个应用程序中只被创建一次时，单例很有用。它们通常用于状态管理、资源管理和设置管理。

相比之下，静态类对于组织常量、扩展方法、实用函数或任何不需要保留实例特定数据的其他功能非常方便。

单例和静态之间的相似之处

• 在内存中，静态类和单例类的实例在任何时候都只能有一个。
• 应用程序的全局状态可以存储在这两个类中的任何一个中。

单例和静态之间的区别

• 单例类支持接口实现，但静态类不能实现接口。
• 虽然静态类是密封的且不可继承，但单例类允许继承。
• 静态类不能继承任何其他类，甚至不能继承其他静态类；只有单例类能够做到这一点。
• 虽然静态类不能被实例化（可以直接使用静态类），但可以使用 new 关键字创建单例类。
• 静态类无法自行处置；单例类可以。
• 静态类不能有实例构造函数；单例类只允许一个私有的无参静态构造函数。
• 由于静态方法是在编译时绑定的，因此静态类性能更好。

结论

总之，C# 的静态类和单例类都提供了一种确保单实例行为的方法，但它们实现了不同的目标并具有独特的实现方式。

在实现单例时，尤其是在多线程环境中，请使用锁定技术或像 Lazy 这样的线程安全结构来确保线程安全。

理解静态类和单例类之间的区别和应用有助于创建高效且可扩展的 C# 软件解决方案。