《设计模式在C#中的实践：单例与工厂模式(七)》-CFANZ编程社区

线程安全单例的进化之路与工厂模式的解耦艺术

1. 单例模式：唯一实例的全局访问点

核心目标：确保一个类仅有一个实例，并提供全局访问入口，常用于配置管理、线程池、日志服务等场景。

1.1 线程安全单例的五种实现范式

饿汉式（静态初始化）：

csharp
 public sealed class Singleton
 
 {
 
     private static readonly Singleton _instance = new Singleton();
 
     public static Singleton Instance => _instance;
 
     private Singleton() { } // 私有构造函数
 
 }

优点：线程安全（类加载时初始化）、简单高效。
缺点：提前占用资源，无法延迟加载。

懒汉式（简单锁）：

csharp
 public sealed class Singleton
 
 {
 
     private static Singleton _instance;
 
     private static readonly object _lock = new object();
 
     public static Singleton Instance
 
     {
 
         get
 
         {
 
             lock (_lock)
 
             {
 
                 return _instance ??= new Singleton();
 
             }
 
         }
 
     }
 
     private Singleton() { }
 
 }

优点：延迟加载，节省启动资源。
缺点：每次访问需加锁，性能损耗较大。

双重检查锁定（DCL）：

csharp
 public sealed class Singleton
 
 {
 
     private static volatile Singleton _instance;
 
     private static readonly object _lock = new object();
 
     public static Singleton Instance
 
     {
 
         get
 
         {
 
             if (_instance is null)
 
             {
 
                 lock (_lock)
 
                 {
 
                     if (_instance is null)
 
                         _instance = new Singleton();
 
                 }
 
             }
 
             return _instance;
 
         }
 
     }
 
     private Singleton() { }
 
 }

关键点：volatile确保内存可见性，避免指令重排序导致半初始化对象被读取。
适用场景：.NET Framework 4.5及以下版本，需谨慎处理内存模型。

.NET 4+ 推荐方案：Lazy

csharp
 public sealed class Singleton
 
 {
 
     private static readonly Lazy<Singleton> _lazy = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());
 
     public static Singleton Instance => _lazy.Value;
 
     private Singleton() { }
 
 }

优点：内置线程安全、延迟加载、异常封装（如构造器抛出异常时，后续调用重试）。

无锁单例（静态类）：

csharp
 public static class Singleton
 
 {
 
     public static void Configure(Action<Singleton> config) { ... }
 
 }

适用场景：无需状态存储的工具类，通过静态方法提供功能。

1.2 单例模式的变体与扩展

可关闭单例：通过Dispose方法释放资源，允许重新初始化。
多例模式：控制实例数量上限（如连接池），通过对象池复用实例。
依赖注入集成：在ASP.NET Core中通过AddSingleton注册服务，实现容器管理。

2. 工厂模式：解耦对象创建与使用逻辑

核心价值：将对象的创建逻辑封装在工厂中，使客户端代码仅依赖抽象接口，提升代码灵活性与可测试性。

2.1 简单工厂：集中化的创建逻辑

结构：

工厂类：包含静态方法，根据参数返回具体产品实例。
产品接口：定义抽象产品行为。
具体产品：实现接口的具体类。

代码示例：

csharp
 public interface IProduct { void Operation(); }
 
 public class ConcreteProductA : IProduct { public void Operation() { } }
 
 public class ConcreteProductB : IProduct { public void Operation() { } }
 
  
 
 public static class SimpleFactory
 
 {
 
     public static IProduct CreateProduct(string type) => type switch
 
     {
 
         "A" => new ConcreteProductA(),
 
         "B" => new ConcreteProductB(),
 
         _ => throw new ArgumentException("未知类型")
 
     };
 
 }
 
  
 
 // 客户端调用
 
 IProduct product = SimpleFactory.CreateProduct("A");

缺点：违反开闭原则（新增产品需修改工厂类），工厂类职责过重。

2.2 工厂方法模式：多态工厂的扩展性

结构：

抽象工厂：定义创建产品的接口方法。
具体工厂：实现抽象工厂，负责创建具体产品。
产品接口与具体产品：同简单工厂。

代码示例：

csharp
 public interface IFactory
 
 {
 
     IProduct CreateProduct();
 
 }
 
  
 
 public class ConcreteFactoryA : IFactory
 
 {
 
     public IProduct CreateProduct() => new ConcreteProductA();
 
 }
 
  
 
 public class ConcreteFactoryB : IFactory
 
 {
 
     public IProduct CreateProduct() => new ConcreteProductB();
 
 }
 
  
 
 // 客户端调用（通过具体工厂创建）
 
 IFactory factory = new ConcreteFactoryA();
 
 IProduct product = factory.CreateProduct();

优点：符合开闭原则（新增产品只需添加具体工厂），支持动态切换创建逻辑。
应用场景：数据库访问层（如不同数据库的连接工厂）、插件系统。

2.3 抽象工厂模式：产品族的协同创建

核心：提供一系列相关或依赖对象的接口，无需指定具体类。
适用场景：跨平台UI组件（如Windows/MacOS的按钮、文本框）、主题皮肤切换。

代码示例：

csharp
 public interface IButton { void Render(); }
 
 public interface ITextBox { void Render(); }
 
  
 
 public interface IGUIFactory
 
 {
 
     IButton CreateButton();
 
     ITextBox CreateTextBox();
 
 }
 
  
 
 public class WindowsFactory : IGUIFactory
 
 {
 
     public IButton CreateButton() => new WindowsButton();
 
     public ITextBox CreateTextBox() => new WindowsTextBox();
 
 }
 
  
 
 // 客户端通过工厂创建产品族
 
 IGUIFactory factory = new WindowsFactory();
 
 IButton button = factory.CreateButton();
 
 button.Render();

3. 单例与工厂的协同应用案例

案例：全局配置管理器

单例角色：ConfigurationManager作为单例，存储全局配置。
工厂角色：IConfigLoaderFactory创建不同配置加载器（如JSON、XML）。
协同逻辑：

csharp
 public sealed class ConfigurationManager
 
 {
 
     private static readonly Lazy<ConfigurationManager> _lazy = new Lazy<ConfigurationManager>(() => new ConfigurationManager());
 
     public static ConfigurationManager Instance => _lazy.Value;
 
     
 
     private IConfigLoader _loader;
 
     
 
     private ConfigurationManager()
 
     {
 
         // 通过工厂注入具体加载器
 
         var factory = new ConfigLoaderFactory();
 
         _loader = factory.CreateLoader("JSON");
 
     }
 
 }