單例模式（Singleton)，故名思議就是說(shuō)在整個(gè)應(yīng)用程序中，某一對(duì)象的實(shí)例只應(yīng)該存在一個(gè)。比如，一個(gè)類(lèi)加載數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中以提供只讀數(shù)據(jù)，這就很適合使用單例模式，因?yàn)闆](méi)有必要在內(nèi)存中加載多份相同的數(shù)據(jù)，另外，有些情況下不允許內(nèi)存中存在多分份相同的數(shù)據(jù)，比如數(shù)據(jù)過(guò)大，內(nèi)存容不下兩份相同數(shù)據(jù)等等。

約定單例模式（Singleton by Convention）

    這種方式有點(diǎn)“Too simple, Sometimes naïve”，他就是提示使用者，我是單例，不要重復(fù)初始化我，比如：

public class Database
{
  /// <summary>
  /// 警告，這是單例，不要初始化多次，否則，后果自負(fù).
  /// </summary>
  public Database() {}
};

 一種情況是，根本不會(huì)注意到這個(gè)提示，其次是在很多時(shí)候，這些初始化是偷偷摸摸無(wú)意中發(fā)生的，比如通過(guò)反射，通過(guò)工廠產(chǎn)生（Activator.CreateInstance），通過(guò)注入等等，雖然有一個(gè)“約定大于配置”，但是這里不使用。

   單例模式最常見(jiàn)的想法是提供一個(gè)全局的，靜態(tài)的對(duì)象。

public static class Globals
{
  public static Database Database = new Database();
}

這種方式并沒(méi)有很安全。這個(gè)并沒(méi)有阻止用戶(hù)在其他地方new Database，并且，用戶(hù)可能并不知道有一個(gè)Globals類(lèi)，里面有個(gè)Database單例。

經(jīng)典的實(shí)現(xiàn)方式

   唯一的方式阻止用戶(hù)實(shí)例化對(duì)象是將構(gòu)造函數(shù)變成私有的，并且提供方法或者屬性返回唯一的內(nèi)部對(duì)象。

public class Database
{
  private Database() { ... }
  public static Database Instance { get; } = new Database();
}

現(xiàn)在將構(gòu)造函數(shù)設(shè)置為了私有，當(dāng)然設(shè)為私有依舊可以通過(guò)反射繼續(xù)調(diào)用，但是這畢竟需要額外操作，這已經(jīng)可以阻止大部分用戶(hù)直接實(shí)例化了。通過(guò)將實(shí)例定義為static靜態(tài)， 使得其生命周期延長(zhǎng)至應(yīng)用程序運(yùn)行期間。

延遲初始化

   以上方法線(xiàn)程安全，但是因?yàn)槭庆o態(tài)屬性，在類(lèi)的所有實(shí)例創(chuàng)建之前，或者任何靜態(tài)成員訪問(wèn)之前就會(huì)初始化，并且在每個(gè)AppDomain里都只會(huì)初始化一次。

   如何實(shí)現(xiàn)延遲初始化，即將單例對(duì)象的構(gòu)造推遲到應(yīng)用程序首次請(qǐng)求該對(duì)象進(jìn)行時(shí)，如果應(yīng)用程序永遠(yuǎn)不請(qǐng)求對(duì)象，則對(duì)象永遠(yuǎn)不會(huì)構(gòu)造。在之前，可以使用double check方式。其實(shí)要實(shí)現(xiàn)正確的double check還是有些問(wèn)題需要注意，比如上面這個(gè)例子，第一版可能這么寫(xiě)，用一個(gè)鎖。

public class Database
{
  private static Database db;
  private static object olock = new object();
  private Database()
  { }

  public static Database GetInstance()
  {
    lock (olock)
    {
      if (db == null)
      {
        db = new Database();
      }
      return db;
    }
  }
}

這雖然線(xiàn)程安全，但是每次訪問(wèn)GetInstance，不論對(duì)象是否已經(jīng)創(chuàng)建，都需要獲取然后釋放鎖，比較消耗資源，所以，在外面再加一層判斷。

public class Database
{
  private static Database db;
  private static object olock = new object();
  private Database()
  { }

  public static Database GetInstance()
  {
    if (db == null)
    {
      lock (olock)
      {
        if (db == null)
        {
          db = new Database();
        }
      }
    }
    return db;
  }
}

在訪問(wèn)對(duì)象之前判斷是否已經(jīng)初始化，如果初始化直接返回，這樣就避免了一次對(duì)鎖的訪問(wèn)。But，這里仍然存在問(wèn)題。假設(shè)Database初始化起來(lái)耗時(shí)，當(dāng)線(xiàn)程A獲得鎖正在對(duì)db進(jìn)行初始化的時(shí)候，線(xiàn)程B在最外層判斷db是否為空，這個(gè)時(shí)候，線(xiàn)程A正在初始化db，有可能只初始化了部分，這個(gè)時(shí)候db就可能不為空，直接返回了沒(méi)有完全初始化完全的對(duì)象，這可能導(dǎo)致線(xiàn)程B崩潰。

   解決方式是，將對(duì)象存儲(chǔ)到臨時(shí)變量中，然后以原子寫(xiě)的方式存儲(chǔ)到db中，如下

public class Database
{
  private static Database db;
  private static object olock = new object();
  private Database()
  { }

  public static Database GetInstance()
  {
    if (db == null)
    {
      lock (olock)
      {
        if (db == null)
        {
          var temp = new Database();
          Volatile.Write(ref db, temp);
        }
      }
    }
    return db;
  }
}

非常繁瑣，雖然實(shí)現(xiàn)了延遲初始化，但是跟開(kāi)頭的靜態(tài)字段對(duì)比，復(fù)雜太多，而且一不小心就會(huì)寫(xiě)錯(cuò)。雖然可以簡(jiǎn)化為：

public static Database GetInstance()
{
  if (db == null)
  {
    var temp = new Database();
    Interlocked.CompareExchange(ref db, temp, null);
  }
  return db;
}

 該方法看起來(lái)沒(méi)有用鎖，temp對(duì)象有可能會(huì)被初始化兩次，但是在將temp寫(xiě)入到db的時(shí)候，Interlock.CompareExchange會(huì)保證只會(huì)有1個(gè)對(duì)象正確被寫(xiě)入到db，沒(méi)有被寫(xiě)入的temp對(duì)象會(huì)被垃圾回收，這種方式速度比上述的double check要快。但仍然需要學(xué)習(xí)成本。幸好，C#提供了Lazy方法：

private static Lazy<Database> db = new Lazy<Database>(() => new Database(), true);
public static Database GetInstance() => db.Value;

簡(jiǎn)單且完美。

依賴(lài)注入與單例模式

   前面的單例模式其實(shí)是一種代碼侵入的做法，就是要想一個(gè)原本沒(méi)有實(shí)現(xiàn)單例的代碼要實(shí)現(xiàn)單例，需要修改代碼實(shí)現(xiàn)，并且這個(gè)代碼還容易出錯(cuò)。有些人認(rèn)為單例模式的唯一正確的做法就是在IOC依賴(lài)注入中，這樣不需要修改源代碼，通過(guò)依賴(lài)注入框架來(lái)實(shí)現(xiàn)依賴(lài)注入，在統(tǒng)一的入口，統(tǒng)一的管理生命周期，在ASP.NET Core MVC中，在Startup的ConfigureServices代碼中：

services.AddSingleton<Database>();

或者加入需要用IDatabase的地方，要用Database單例的話(huà)：

services.AddSingleton<IDatabase，Database>();

在ASP.NET Core MVC的后續(xù)代碼中，只要用到IDatabase的地方，就會(huì)用Database的單例來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要我們?cè)贒atabase內(nèi)做任何修改。在使用的時(shí)候，只需要引用IServiceProvider接口里的GetService方法，IServiceProvider是由ASP.NET Core MVC的IOC框架直接提供，不需要特別處理：

public XXXController(IServiceProvider serviceProvider)
{
   var db = serviceProvider.GetService<IDatabase>();
}

單態(tài)模式(Monostate)

    單態(tài)模式是單例模式的一個(gè)變種，它是一個(gè)普通的類(lèi)，但是其行為和表現(xiàn)就像單例模式。

    比如我們?cè)趯?duì)一個(gè)公司的人員結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，一個(gè)典型的公司一般只會(huì)有一個(gè)CEO,

public class ChiefExecutiveOfficer
{
  private static string name;
  private static int age;

  public string Name
  {
    get => name;
    set => name = value;
  }

  public int Age
  {
    get => age;
    set => age = value;
  }
}

這個(gè)類(lèi)的屬性有g(shù)et，set，但是其背后的私有字段都是靜態(tài)的。所以不管這個(gè)ChiefExecutiveOfficer實(shí)例化多少次，其內(nèi)部引用的都是同一個(gè)數(shù)據(jù)。比如，可以實(shí)例化兩個(gè)對(duì)象，但是其內(nèi)部的內(nèi)容是一模一樣的。

    單態(tài)模式簡(jiǎn)單，但是容易引起混亂，所以要想簡(jiǎn)單，要想實(shí)現(xiàn)單例效果，最好還是使用IOC這種依賴(lài)注入的框架，讓它來(lái)幫助我們來(lái)管理實(shí)例及其生命周期。

以上就是解析C#設(shè)計(jì)模式之單例模式的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于c# 單例模式的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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