单例模式详解

单例模式

1. 概述

单例模式是一种创建型设计模式，旨在确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点以获取该实例。这种模式有助于控制资源的访问、管理全局配置或共享状态，确保系统中某个类只存在一个实例。

2. 目的

确保一个类仅有一个实例，且提供全局访问点，以便其他类可以轻松访问该实例。

3. 实现方式

3.1 懒汉式单例（Lazy Initialization）

懒汉式单例通过延迟实例化的方式，在第一次使用时才创建实例。这通常通过加锁来保证在多线程环境下只创建一个实例。

public class Singleton
{
 ?  private static Singleton instance;
 ?  private static readonly object lockObject = new object();
?
 ?  private Singleton() { }
?
 ?  public static Singleton Instance
 ?  {
 ? ? ?  get
 ? ? ?  {
 ? ? ? ? ?  lock (lockObject)
 ? ? ? ? ?  {
 ? ? ? ? ? ? ?  if (instance == null)
 ? ? ? ? ? ? ?  {
 ? ? ? ? ? ? ? ? ?  instance = new Singleton();
 ? ? ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ?  return instance;
 ? ? ?  }
 ?  }
}

优点：

• 延迟加载，节省资源。

缺点：

• 多线程环境下可能会创建多个实例，需要使用锁机制保证线程安全。

3.2 饿汉式单例（Eager Initialization）

饿汉式单例在类加载时就创建实例，保证在任何线程访问之前已经存在一个实例。

public class Singleton
{
 ?  private static readonly Singleton instance = new Singleton();
?
 ?  private Singleton() { }
?
 ?  public static Singleton Instance
 ?  {
 ? ? ?  get { return instance; }
 ?  }
}

优点：

• 在程序启动时就进行实例化，线程安全。

缺点：

• 可能在程序启动时就占用资源。

3.3 双检锁/双重校验锁（Double-Checked Locking）

双检锁单例在检查实例是否存在时使用了两次检查，一次在没有锁的情况下，另一次在加锁的情况下。

public class Singleton
{
 ?  private static Singleton instance;
 ?  private static readonly object lockObject = new object();
?
 ?  private Singleton() { }
?
 ?  public static Singleton Instance
 ?  {
 ? ? ?  get
 ? ? ?  {
 ? ? ? ? ?  if (instance == null)
 ? ? ? ? ?  {
 ? ? ? ? ? ? ?  lock (lockObject)
 ? ? ? ? ? ? ?  {
 ? ? ? ? ? ? ? ? ?  if (instance == null)
 ? ? ? ? ? ? ? ? ?  {
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?  instance = new Singleton();
 ? ? ? ? ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ?  return instance;
 ? ? ?  }
 ?  }
}

优点：

• 在实例为 null 的情况下才进行加锁，提高性能。

缺点：

• 需要考虑多线程情况下的双检查，确保线程安全。

3.4 静态初始化单例

静态初始化单例通过静态构造函数在类加载时完成实例化。

public class Singleton
{
 ?  // 使用静态 readonly 字段确保线程安全的初始化
 ?  private static readonly Singleton instance;
?
 ?  // 私有构造函数，防止外部直接实例化
 ?  private Singleton() { }
?
 ?  // 静态构造函数用于初始化实例
 ?  static Singleton()
 ?  {
 ? ? ?  instance = new Singleton();
 ?  }
?
 ?  // 全局访问点
 ?  public static Singleton Instance
 ?  {
 ? ? ?  get { return instance; }
 ?  }
}

优点：

• 利用静态初始化的线程安全特性，保证了只有一个实例。

缺点：

• 无法进行延迟加载，可能在程序启动时就占用资源。

4. 选择单例模式的需求和场景

选择单例模式的实现方式取决于具体的需求和应用场景。懒汉式和饿汉式适用于不同的情况，而双检锁和静态初始化单例则是对性能和资源占用的一些折中选择。在多线程环境下，需要特别注意实现的线程安全性，可以使用锁机制或者其他线程安全的方式来保证单例的唯一性。选择合适的单例模式实现，可以在系统中提供高效且唯一的实例。