设计模式 <创建型> | 单例模式

单例模式(Singleton)

单例设计模式（Singleton Design Pattern），一个类在只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模。

结构图：

适用场景：

1. 无状态的工具类可以使用单例模式。

角色：

1. 单例类(Singleton)：负责生成单例并返回

优点：

1. 可以保证对象的唯一性，用于解决资源竞争等场景。

缺点：

1. oop支持不友好。
2. 会隐藏类之间的依赖关系（单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递，在函数中直接调用就可以了。如果代码比较复杂，这种调用关系就会非常隐蔽。）
3. 代码的可测试性不好，不方便mock。
4. 不支持有参数的构造函数

代码(C#)

饿汉式，在程序启动的时候就会创建好实例对象，优点是使用的时候不需要再加载了，缺点是如果启动时饿汉单例过多会导致程序启动过慢。饿汉式是线程安全的。

public class SingletonClass
{
    private static SingletonClass _singleton = new SingletonClass();

    /// <summary>
    /// 私有化构造函数，防止外部创建
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    private SingletonClass()
    {
    }

    /// <summary>
    /// 饿汉模式
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static SingletonClass GetSingletonClass()
    {
        return _singleton;
    }
}

懒汉式，等需要使用到这个对象的时候在加载。懒汉在创建的时候需要手动加锁保证线程安全。

public class SingletonClass
{
    private static readonly object Lock = new object();

    private static SingletonClass? _singleton2;

    /// <summary>
    /// 私有化构造函数，防止外部创建
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    private SingletonClass()
    {
    }

    /// <summary>
    /// 懒汉模式
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static SingletonClass GetSingletonClass2()
    {
        // 提前判断，防止每次都需要上锁
        if (_singleton2 == null)
        {
            // 防止多线程重复创建
            lock (Lock)
            {
                if (_singleton2 == null)
                    return _singleton2 = new SingletonClass();
                else
                    return _singleton2;
            }
        }

        return _singleton2;
    }
}

静态内部类实现单例，类都有一个隐藏属性 before field init，JIT 编译器可以在首次访问一个静态字段或者一个静态/实例方法之前，或者创建类型的第一个实例之前，随便找一个时间生成调用。具体调用时机由CLR决定，它只保证访问成员之前会执行（隐式）静态构造函数，但可能会提前很早就执行。理解成静态成员会在类第一次使用之前的任何时间初始化，这种方式也是线程安全的。

public class SingletonStaticClass
{
    /// <summary>
    /// 私有化构造函数，防止外部创建
    /// </summary>
    private SingletonStaticClass()
    {
    }

    private static class CteateInstanceClass
    {
        static CteateInstanceClass()
        {
        }
        // 创建需要的单例对象
        public static SingletonStaticClass Instance = new();
    }


    /// <summary>
    /// 对外公开的创建对象方法
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static SingletonStaticClass GetSingletonClass()
    {
        return CteateInstanceClass.Instance;
    }
}

使用.Net 默认 DI 实现，DI 会在程序启动的时候就在根容器创建好实例。

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);

builder.Services.AddSingleton<SingletonClass>();

最后

和静态类的区别：

1. 单例是有实例的代表的一个对象，而静态类代表是一组常驻内存的方法。
2. 单例对象可以被延迟初始化。而静态类总是在类被加载的时候就初始化。
3. 单例可以继承类、接口，而静态类不能。

性能方面，静态类会比单例模式更加好。因为静态方法在编译期就完成了静态绑定。

如果类中没有保存任何的状态性质的属性，只是提供些方法就可以使用静态类。

如果在项目中要使用单例模式，建议使用 DI 来创建单例或者使用内部静态类。