一、简介

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。单例模式主要用于控制资源的访问，确保某些类只有一个实例，并且这个实例能够被全局访问。

二、关键点

• 唯一实例：确保一个类只有一个实例。
• 全局访问点：提供一个全局访问点来访问该实例。

三、实现单例模式的步骤

• 私有构造函数：防止类被实例化。
• 私有静态变量：持有该类的唯一实例。
• 公共静态方法：提供一个全局访问点来访问该实例。

四、C#示例

4.1 简单的单例模式

public class SimpleSingleton
{
    // 私有静态变量，持有唯一实例
    private static SimpleSingleton instance = null;

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private SimpleSingleton() { }

    // 公共静态方法，提供全局访问点
    public static SimpleSingleton Instance
    {
        get
        {
            if (instance == null)
            {
                instance = new SimpleSingleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

4.2 线程安全的单例模式（双重检查锁定）

在多线程环境中，上面的实现可能会导致多个实例的创建。为了解决这个问题，我们可以使用双重检查锁定（Double-Check Locking）来实现线程安全的单例模式。

public class ThreadSafeSingleton
{
    // 私有静态变量，持有唯一实例，并使用 volatile 关键字确保多线程可见性
    private static volatile ThreadSafeSingleton instance = null;
    private static readonly object lockObject = new object();

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private ThreadSafeSingleton() { }

    // 公共静态方法，提供全局访问点
    public static ThreadSafeSingleton Instance
    {
        get
        {
            if (instance == null)
            {
                lock (lockObject)
                {
                    if (instance == null)
                    {
                        instance = new ThreadSafeSingleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
}

4.3 静态初始化单例模式

这种实现利用了 .NET 的静态构造函数，保证了线程安全性，并且代码更加简洁。

public class StaticInitializationSingleton
{
    // 静态变量，持有唯一实例
    private static readonly StaticInitializationSingleton instance = new StaticInitializationSingleton();

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private StaticInitializationSingleton() { }

    // 公共静态属性，提供全局访问点
    public static StaticInitializationSingleton Instance
    {
        get
        {
            return instance;
        }
    }
}

五、单例模式优缺点

5.1 优点

• 唯一实例：确保系统中只有一个实例，节省系统资源。
• 全局访问点：提供一个全局访问点，方便访问该实例。

5.2 缺点

• 可能造成单一职责原则的违背：单例类可能承担过多的责任。
• 难以进行单元测试：由于全局访问点的存在，单例模式在单元测试中可能会引入依赖性问题。
• 隐藏的依赖关系：单例模式会在代码中隐藏类与类之间的依赖关系，使得代码变得难以理解和维护。

六、适用场景

• 需要控制实例数量：例如配置管理类、日志管理类等。
• 需要提供全局访问点：例如访问数据库连接的类、线程池管理类等。

七、示例的现实应用

单例模式在许多现实应用中都有应用：

• 配置管理：一个系统的配置通常需要全局访问，但只需要一个实例来管理。
• 日志记录器：日志记录器通常需要全局访问，但只需要一个实例来管理日志的写入。
• 数据库连接池：数据库连接池需要管理数据库连接的创建和释放，确保系统中只有一个连接池实例。

通过使用单例模式，可以确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例，提高系统资源的利用率和全局访问的方便性。