解析C#设计模式之单例模式

单例模式（Singleton)，故名思议就是说在整个应用程序中，某一对象的实例只应该存在一个。比如，一个类加载数据库中的数据到内存中以提供只读数据，这就很适合使用单例模式，因为没有必要在内存中加载多份相同的数据，另外，有些情况下不允许内存中存在多分份相同的数据，比如数据过大，内存容不下两份相同数据等等。

约定单例模式（Singleton by Convention）

这种方式有点“Too simple, Sometimes naïve”，他就是提示使用者，我是单例，不要重复初始化我，比如：

public class Database
{
  /// <summary>
  /// 警告，这是单例，不要初始化多次，否则，后果自负.
  /// </summary>
  public Database() {}
};

一种情况是，根本不会注意到这个提示，其次是在很多时候，这些初始化是偷偷摸摸无意中发生的，比如通过反射，通过工厂产生（Activator.CreateInstance），通过注入等等，虽然有一个“约定大于配置”，但是这里不使用。

单例模式最常见的想法是提供一个全局的，静态的对象。

public static class Globals
{
  public static Database Database = new Database();
}

这种方式并没有很安全。这个并没有阻止用户在其他地方new Database，并且，用户可能并不知道有一个Globals类，里面有个Database单例。

经典的实现方式

唯一的方式阻止用户实例化对象是将构造函数变成私有的，并且提供方法或者属性返回唯一的内部对象。

public class Database
{
  private Database() { ... }
  public static Database Instance { get; } = new Database();
}

现在将构造函数设置为了私有，当然设为私有依旧可以通过反射继续调用，但是这毕竟需要额外操作，这已经可以阻止大部分用户直接实例化了。通过将实例定义为static静态， 使得其生命周期延长至应用程序运行期间。

延迟初始化

以上方法线程安全，但是因为是静态属性，在类的所有实例创建之前，或者任何静态成员访问之前就会初始化，并且在每个AppDomain里都只会初始化一次。

如何实现延迟初始化，即将单例对象的构造推迟到应用程序首次请求该对象进行时，如果应用程序永远不请求对象，则对象永远不会构造。在之前，可以使用double check方式。其实要实现正确的double check还是有些问题需要注意，比如上面这个例子，第一版可能这么写，用一个锁。

public class Database
{
  private static Database db;
  private static object olock = new object();
  private Database()
  { }

  public static Database GetInstance()
  {
    lock (olock)
    {
      if (db == null)
      {
        db = new Database();
      }
      return db;
    }
  }
}

这虽然线程安全，但是每次访问GetInstance，不论对象是否已经创建，都需要获取然后释放锁，比较消耗资源，所以，在外面再加一层判断。

public class Database
{
  private static Database db;
  private static object olock = new object();
  private Database()
  { }

  public static Database GetInstance()
  {
    if (db == null)
    {
      lock (olock)
      {
        if (db == null)
        {
          db = new Database();
        }
      }
    }
    return db;
  }
}

在访问对象之前判断是否已经初始化，如果初始化直接返回，这样就避免了一次对锁的访问。But，这里仍然存在问题。假设Database初始化起来耗时，当线程A获得锁正在对db进行初始化的时候，线程B在最外层判断db是否为空，这个时候，线程A正在初始化db，有可能只初始化了部分，这个时候db就可能不为空，直接返回了没有完全初始化完全的对象，这可能导致线程B崩溃。

解决方式是，将对象存储到临时变量中，然后以原子写的方式存储到db中，如下

public class Database
{
  private static Database db;
  private static object olock = new object();
  private Database()
  { }

  public static Database GetInstance()
  {
    if (db == null)
    {
      lock (olock)
      {
        if (db == null)
        {
          var temp = new Database();
          Volatile.Write(ref db, temp);
        }
      }
    }
    return db;
  }
}

非常繁琐，虽然实现了延迟初始化，但是跟开头的静态字段对比，复杂太多，而且一不小心就会写错。虽然可以简化为：

public static Database GetInstance()
{
  if (db == null)
  {
    var temp = new Database();
    Interlocked.CompareExchange(ref db, temp, null);
  }
  return db;
}

该方法看起来没有用锁，temp对象有可能会被初始化两次，但是在将temp写入到db的时候，Interlock.CompareExchange会保证只会有1个对象正确被写入到db，没有被写入的temp对象会被垃圾回收，这种方式速度比上述的double check要快。但仍然需要学习成本。幸好，C#提供了Lazy方法：

private static Lazy<Database> db = new Lazy<Database>(() => new Database(), true);
public static Database GetInstance() => db.Value;

简单且完美。

依赖注入与单例模式

前面的单例模式其实是一种代码侵入的做法，就是要想一个原本没有实现单例的代码要实现单例，需要修改代码实现，并且这个代码还容易出错。有些人认为单例模式的唯一正确的做法就是在IOC依赖注入中，这样不需要修改源代码，通过依赖注入框架来实现依赖注入，在统一的入口，统一的管理生命周期，在ASP.NET Core MVC中，在Startup的ConfigureServices代码中：

services.AddSingleton<Database>();

或者加入需要用IDatabase的地方，要用Database单例的话：

services.AddSingleton<IDatabase，Database>();

在ASP.NET Core MVC的后续代码中，只要用到IDatabase的地方，就会用Database的单例来实现，不需要我们在Database内做任何修改。在使用的时候，只需要引用IServiceProvider接口里的GetService方法，IServiceProvider是由ASP.NET Core MVC的IOC框架直接提供，不需要特别处理：

public XXXController(IServiceProvider serviceProvider)
{
   var db = serviceProvider.GetService<IDatabase>();
}

单态模式(Monostate)

单态模式是单例模式的一个变种，它是一个普通的类，但是其行为和表现就像单例模式。

比如我们在对一个公司的人员结构进行建模，一个典型的公司一般只会有一个CEO,

public class ChiefExecutiveOfficer
{
  private static string name;
  private static int age;

  public string Name
  {
    get => name;
    set => name = value;
  }

  public int Age
  {
    get => age;
    set => age = value;
  }
}

这个类的属性有get，set，但是其背后的私有字段都是静态的。所以不管这个ChiefExecutiveOfficer实例化多少次，其内部引用的都是同一个数据。比如，可以实例化两个对象，但是其内部的内容是一模一样的。

单态模式简单，但是容易引起混乱，所以要想简单，要想实现单例效果，最好还是使用IOC这种依赖注入的框架，让它来帮助我们来管理实例及其生命周期。

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