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设计模式 3

• 创建型模式（5）：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式
• 结构型模式（7）：适配器模式、桥接模式、组合模式、装饰者模式、外观模式、享元模式、代理模式
• 行为型模式（11）：责任链模式、命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板方法模式、访问者模式

单例模式（Singleton Pattern）

1 定义

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个访问该实例的全局访问点。它可以防止类被多次实例化，并且在某些情况下可以节省内存、确保一致性或控制资源的访问。

2 结构

单例模式的主要角色包括：

• 单例类（Singleton）: 包含一个私有的静态变量来保存单例实例，并提供一个公共的静态方法来返回这个实例。

UML 类图

+----------------------+
|      Singleton       |
+----------------------+
| - instance: Singleton|
+----------------------+
| + getInstance():     |
|   Singleton          |
+----------------------+

3 示例代码

单例模式的实现有多种方式，以下是最常见的几种。

1. 懒汉式（Lazy Initialization）

懒汉式实现中，实例在第一次调用 getInstance() 方法时才被创建。这种方式可以延迟实例的创建，节省资源，但在多线程环境下需要进行同步以保证线程安全。

public class Singleton
{private static Singleton _instance;// 构造函数设置为私有，防止通过new创建实例private Singleton() { }public static Singleton GetInstance(){if (_instance == null){_instance = new Singleton();}return _instance;}
}

2. 线程安全的懒汉式

为了保证线程安全，可以在 getInstance 方法上添加 lock 关键字，但这样可能会降低性能。

public class Singleton
{private static Singleton _instance;private static readonly object _lock = new object();private Singleton() { }public static Singleton GetInstance(){lock (_lock){if (_instance == null){_instance = new Singleton();}}return _instance;}
}

3. 双重检查锁定（Double-Check Locking）

这种方法在检查实例是否已经存在时只加一次锁，提高了性能。这是线程安全且高效的实现方式。

public class Singleton
{private static Singleton _instance;private static readonly object _lock = new object();private Singleton() { }public static Singleton GetInstance(){if (_instance == null){lock (_lock){if (_instance == null){_instance = new Singleton();}}}return _instance;}
}

4. 饿汉式（Eager Initialization）

饿汉式在类加载时就创建实例，因此不存在线程安全问题，但如果实例比较大且未使用时，会浪费资源。

public class Singleton
{private static readonly Singleton _instance = new Singleton();// 构造函数设置为私有，防止通过new创建实例private Singleton() { }public static Singleton GetInstance(){return _instance;}
}

5. 静态内部类（Static Inner Class）

使用静态内部类的方式可以实现延迟加载和线程安全。静态内部类的实例只会在第一次被引用时初始化，因此可以实现懒加载效果。

public class Singleton
{private Singleton() { }private static class SingletonHolder{internal static readonly Singleton _instance = new Singleton();}public static Singleton GetInstance(){return SingletonHolder._instance;}
}

6. 枚举（Enum）

使用枚举来实现单例是最简单和安全的方式，因为枚举实例化是线程安全的，并且只会被实例化一次。这种方式不仅实现了单例，而且还能防止反序列化和反射攻击。

public enum Singleton
{Instance;public void SomeMethod(){Console.WriteLine("Singleton method called.");}
}

4 特点

• 优点:

  • 控制实例数量: 确保系统中只有一个实例存在，减少内存开销。

  • 全局访问点: 提供了一个全局访问点，便于共享实例。

  • 避免资源冲突: 多个线程或进程访问同一资源时，单例模式可以有效地避免冲突。

• 缺点:

  • 不易扩展: 由于单例类不能被继承，或者不应该被继承，导致其难以扩展。

  • 隐藏依赖: 单例模式通过全局访问点共享状态，可能导致隐藏依赖，使得代码难以理解和测试。

  • 多线程问题: 在多线程环境下实现单例模式需要小心处理，否则可能导致线程安全问题。

5 适用场景

• 需要全局唯一实例的场景: 如线程池、数据库连接池、配置文件管理器等。
• 需要控制资源的场景: 如打印机管理类，控制对同一资源的并发访问。
• 需要共享状态的场景: 如应用程序的日志类，保证所有日志信息都记录到同一对象中。

单例模式在实际开发中非常常见，但在使用时要注意其潜在的缺陷，特别是在多线程和高并发的环境下，需要选择合适的实现方式以确保线程安全。