C# 线程安全的单例模式

在 C# 中实现单例模式有多种方法，每种方法在线程安全性、性能特点和实现复杂度上各有不同。本文将详细介绍从最简单的非线程安全版本到完全延迟加载、线程安全且高性能的实现方案。

单例模式的核心特征

所有单例实现都应具备以下四个共同特征：

• 私有无参构造函数：防止外部类实例化，确保单例的唯一性。同时也能防止子类化带来的潜在问题
• 密封类（推荐）：虽然不是绝对必要，但有助于 JIT 编译器进行优化
• 静态实例引用：保存单例的唯一实例
• 公共静态访问器：通过静态方法或属性提供全局访问点

注意：使用公共静态属性 Instance 与使用静态方法在功能上没有区别，且不影响线程安全性或性能。

实现方案详解

版本一：非线程安全（不推荐使用）

public sealed class Singleton
{
    private static Singleton instance = null;

    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if (instance == null)
            {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

问题：在多线程环境下，如果两个线程同时检查 instance == null 且都得到 true，则会创建多个实例，违反单例原则。

版本二：简单线程安全

public sealed class Singleton
{
    private static Singleton instance = null;
    private static readonly object padlock = new object();

    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            lock (padlock)
            {
                if (instance == null)
                {
                    instance = new Singleton();
                }
                return instance;
            }
        }
    }
}

优点：通过锁机制确保线程安全 缺点：每次访问实例都需要获取锁，性能开销较大

注意：这里使用私有静态对象作为锁对象，避免了使用 typeof(Singleton) 可能导致的死锁问题。

版本三：双重检查锁定

public sealed class Singleton
{
    private static Singleton instance = null;
    private static readonly object padlock = new object();

    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance
    {
        get
        {
            if (instance == null)
            {
                lock (padlock)
                {
                    if (instance == null)
                    {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
}

优点：减少了锁的使用次数，提升性能 缺点：

1. 在 Java 中不可靠（内存模型差异）
2. 依赖于特定的内存模型语义
3. 实现容易出错
4. 性能仍不如后续版本

版本四：静态初始化（非完全延迟加载）

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Singleton instance = new Singleton();

    // 显式静态构造函数，防止 beforefieldinit 标记
    static Singleton() { }

    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance => instance;
}

优点：

• 实现简单
• 线程安全（由 CLR 保证）
• 性能优秀

缺点：不是完全延迟加载，只要访问类的任何静态成员都会触发实例化

版本五：完全延迟加载

public sealed class Singleton
{
    private Singleton() { }

    public static Singleton Instance => Nested.instance;

    private class Nested
    {
        // 显式静态构造函数
        static Nested() { }

        internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
    }
}

优点：

• 完全延迟加载
• 线程安全
• 高性能

缺点：实现相对复杂

版本六：使用 Lazy（.NET Framework 4+）

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：

• 实现简洁
• 线程安全（默认使用 LazyThreadSafetyMode.ExecutionAndPublication）
• 完全延迟加载
• 可通过 IsValueCreated 属性检查是否已实例化

性能与延迟加载的考量

在大多数情况下，完全延迟加载并非必需。如果初始化过程不涉及特别耗时的操作，使用静态初始化（版本四）可能更合适，因为它允许 JIT 编译器进行更好的优化。

异常处理考虑

如果单例构造函数可能抛出异常且需要恢复，建议使用版本二的简单线程安全实现。类型初始化器在遇到异常后的行为在不同运行时中可能不一致，而使用锁和显式检查的方式提供了更可靠的异常处理机制。

总结

对于新项目，如果目标平台支持 .NET Framework 4 或更高版本，推荐使用 Lazy<T> 实现，它在简洁性、安全性和性能之间取得了最佳平衡。