====== C# 单例模式 (Singleton Pattern) ======

单例模式是 C# 开发中最常用的设计模式之一。它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。

===== 1. 为什么使用单例模式？ =====

在 C# 应用程序中，单例模式通常用于管理共享资源，例如：
  * **数据库连接池**
  * **日志记录器 (Logger)**
  * **配置文件管理器 (Configuration Manager)**
  * **硬件接口访问（如打印机后台处理程序）**

===== 2. 实现单例模式的关键点 =====

要实现一个标准的单例类，必须满足以下条件：
  - **私有构造函数**：防止外部通过 `new` 关键字创建实例。
  - **私有静态变量**：用于持有类的唯一实例。
  - **公共静态方法/属性**：提供全局访问点（通常命名为 `Instance`）。

===== 3. C# 中的几种实现方式 =====

在 C# 中实现单例有多种方式，主要区别在于**线程安全性**和**延迟加载 (Lazy Loading)** 的处理。

==== 3.1. 简单的线程不安全实现 (Bad) ====

这是最基本的实现，但在多线程环境下是**不安全**的。如果两个线程同时判断 `_instance == null`，可能会创建两个实例。

<code csharp>
public class Singleton
{
    private static Singleton _instance;

    // 私有构造函数
    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            // 线程不安全！
            if (_instance == null)
            {
                _instance = new Singleton();
            }
            return _instance;
        }
    }
}
</code>

==== 3.2. 简单的线程安全实现 (加锁) ====

通过 `lock` 关键字确保同一时间只有一个线程执行创建实例的代码。

<code csharp>
public class Singleton
{
    private static Singleton _instance;
    private static readonly object _lock = new object();

    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            // 每次访问都会加锁，性能较差
            lock (_lock)
            {
                if (_instance == null)
                {
                    _instance = new Singleton();
                }
                return _instance;
            }
        }
    }
}
</code>

==== 3.3. 双重检查锁定 (Double-Check Locking) ====

这种方式既保证了线程安全，又避免了每次访问都加锁带来的性能损耗。只有在实例未创建时才加锁。

<code csharp>
public class Singleton
{
    private static Singleton _instance;
    private static readonly object _lock = new object();

    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            // 第一次检查：如果已经创建，直接返回，避免加锁
            if (_instance == null)
            {
                lock (_lock)
                {
                    // 第二次检查：防止多个线程同时通过了第一次检查
                    if (_instance == null)
                    {
                        _instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return _instance;
        }
    }
}
</code>

==== 3.4. 静态初始化 (饿汉式) ====

利用 .NET CLR 的特性，静态构造函数只会执行一次。这种方式非常简单且线程安全，但缺点是**不支持延迟加载**（类一加载，实例就被创建，即使你还没用到它）。

<code csharp>
public sealed class Singleton
{
    // CLR 保证了静态字段初始化的线程安全性
    private static readonly Singleton _instance = new Singleton();

    // 显式静态构造函数告诉 C# 编译器不要将类型标记为 BeforeFieldInit
    static Singleton() { }

    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            return _instance;
        }
    }
}
</code>

==== 3.5. 使用 System.Lazy<T> (推荐) ====

在 .NET 4.0 及更高版本中，这是**最推荐**的实现方式。它利用 `System.Lazy<T>` 类型自动处理线程安全和延迟加载，代码简洁且高效。

<code csharp>
public sealed class Singleton
{
    // Lazy<T> 默认是线程安全的
    private static readonly Lazy<Singleton> _lazy = 
        new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());

    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance 
    { 
        get 
        { 
            return _lazy.Value; 
        } 
    }
}
</code>

===== 4. 总结 =====

^ 实现方式 ^ 线程安全 ^ 延迟加载 ^ 复杂度 ^ 推荐指数 ^
| 简单实现 | No | Yes | 低 | 不推荐 |
| 简单加锁 | Yes | Yes | 中 | 一般 |
| 双重检查锁定 | Yes | Yes | 高 | 一般 |
| 静态初始化 | Yes | No | 低 | 推荐 (如果不需要延迟加载) |
| **System.Lazy<T>** | **Yes** | **Yes** | **低** | **强烈推荐** |

===== 5. 注意事项 =====

  - **单一职责原则**：单例类除了管理自己的实例外，通常还承担具体的业务功能。要注意不要让单例类变得过于臃肿。
  - **测试困难**：单例模式通常持有全局状态，这使得单元测试变得困难（难以模拟和重置状态）。在需要高度可测试性的系统中，通常建议使用**依赖注入 (Dependency Injection)** 容器来管理单例的生命周期，而不是手动实现单例模式。