C#中的单例模式

C#中的单例模式

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一、什么是单例模式？

单例模式是一种确保一个类只有一个实例的设计模式。比如在各种工具类中，每次需要访问这个类的方法时，都实例化一个实例，这是明显不合适的

二、单例模式的实现方式

1.通过静态字段实现

代码如下（示例）：

public class Singleton
{
	public static readonly Singleton Instance = new();
	private Singleton()
	{
	}
}

上述是最简单而且是以线程安全的方式实现的单例模式
1.利用静态字段确保访问Instance时，不会重复实例化单例类，这是利用静态字段只会初始化一次的特性来实现的。
2.readonly字段确保了外部使用该实例时无法更改该Instance，例如Singleton.Instance=null是报错的。
3.私有构造函数确保无法在外部实例化该类，例如new Singleton()是报错的。
不过上述方法有两个弊端：

缺点1：不符合字段的命名方式，字段命名的方式一般有三种，比如instance、_instance或者m_instance
这个缺点可以很好的进行规避，再加一个对应的属性，并将该字段的访问级别更改为private即可。

代码如下：

public class Singleton
{
	//将字段访问属性更改为私有
	private static readonly Singleton _instance = new();
	//添加一个只读属性
	public static Singleton Instance
	{
		get => _instance;
	}
	private Singleton()
	{
	}
}

缺点2：无法彻底实现懒加载

• 如果当上述单例类中，只存在一个Instance静态属性和_instance字段，再没有其他静态成员时，是可以实现懒加载的。

• 这是由于静态成员的特点所决定的，当一个类中存在多个静态成员时，第一次访问任意一个静态成员，都会导致所有的静态成员被初始化。但是当我们确保一个类中只有一个可被访问的静态成员，也可以实现懒加载

• 由于这种方法存在限制，所以一般不使用这种方式实现懒加载

2.通过属性的get实现

代码如下（示例）：

public class Singleton
{
	//不再直接实例化_instance
    private static Singleton _instance;
    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if (_instance == null)
            {
                _instance = new Singleton();
            }
            return _instance;
        }
    }
    private Singleton()
    {
    }
}

上述方式虽然实现了懒加载，但是无法确保线程安全
实现线程安全的方式很简单，加入lock线程锁：

public class Singleton
{
    private static Singleton _instance;
    private static readonly object _lock = new();

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

    private Singleton()
    {
        Console.WriteLine("构造函数初始化");
    }
}

这种方式完美的实现了单例以及懒加载，但是仍然有一个缺点，就是每次访问该属性时，不论_instance是否被实例化，都会访问lock块，导致不必要的资源开销，所以我们在lock之前先判断一下_instance是否被实例化，如果已被实例化，则直接返回，这就是双检查实现单例。

代码如下（示例）：

public class Singleton
{
    private static Singleton _instance;
    private static readonly object _lock = new();

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
        	//保证效率，实例化后不再进入lock块
        	if (_instance == null)
            {
            	//确保线程安全
               lock (_lock)
	            {
	                if (_instance == null)
	                {
	                    _instance = new Singleton();
	                }
	            }
            }
            //已经被实例化直接返回
            return _instance;
        }
    }
    private Singleton()
    {
    }
}

通过双检查实现的单例模式即实现了懒加载，同时又保证了线程安全，但是还有没有更简洁的方式来实现单例呢，下面进一步探讨

3.通过Lazy实现单例模式

代码如下:

public class Singleton
{
	//第一个参数是一个工厂方法，返回一个T实例且没有形参；第二个参数true代表需要保证线程安全，false表示不需要线程安全
    private static readonly Lazy<Singleton> _instance = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton(),true);
    public static Singleton Instance { get => _instance.Value; }
    private Singleton()
    {
    }
}

可以看到通过使用Lazy，代码相比双检查，不再需要手动编写锁定代码，而且Lazy提供了工厂方法，可以在工厂方法中更灵活的初始化实例，比如()=>new Singleton{Prop1 = 1,...}，并且能灵活配置是否需要线程安全。
通过以上方式我们实现了非常简洁的单例实现，同时保证了线程安全以及懒加载，那么还有没有其他方式？

4.通过DependencyInjection

代码如下：

using Microsoft.Extensions.DependencyInjection;

var serviceCollection = new ServiceCollection();

serviceCollection.AddSingleton<Service>();
var serviceProvider = serviceCollection.BuildServiceProvider();

var service = serviceProvider.GetService<Service>();
service.Func();

public class Service
{
    public void Func()
    {
        Console.WriteLine("Hello World");
    }
}

DI容器通过提供AddSingleton这种方式实现了类的生命周期管理，表示在整个生命周期中该实例都是单例，同时AddSingleton还提供了多个重载，比如提供工厂方法的重载，可以调用不同的构造方法，比如AddSingleton((provider)=>new Service(param1,...))

总结

通过上述实现单例模式的各种方法的探讨，我们还需要在实际开发过程中，根据不同的需求来进行选择不同的实现方式。比如一个比较小的项目，后续改动不大，可以通过第一种public static readonly Singleton Instance = new();来实现；比如我们开发ASP.Net，这时我们就需要用到DependencyInjection这种方式