用設計模式固化你的 C# 程式（一）：Singleton 與 Strategy 模式

前言

設計模式是軟體開發中經驗的結晶，為常見問題提供經驗證可行的解決方案。本系列文章將介紹幾個流行的設計模式，並以 C# 為語言展示其精髓，幫助你建立更具擴展性、可重用的物件導向架構。

一、Singleton 單例模式

動機

確保某個類別在整個應用程式中只有唯一實例，並提供全域存取點。例如 MFC 中的 CWinApp 應用程式類別即為單例。

核心實作

public sealed class Singleton
{
    private static readonly Lazy _instance = 
        new Lazy(() => new Singleton());

    private Singleton() { } // 私有建構子，防止外部實例化

    public static Singleton Instance => _instance.Value;
}

關鍵點：

• 建構子設為 private，防止直接 new。
• 提供靜態 Instance 屬性回傳唯一實例。
• 使用 Lazy<T> 確保執行緒安全與延遲初始化（.NET 4.0+）。

延伸應用：可變數量的單例

單例模式可擴展為「多例」，例如工作者執行緒池：

public class WorkerPool
{
    private static readonly Dictionary _instances = new();
    private static readonly object _lock = new object();
    private readonly int _maxWorkers;

    private WorkerPool(int maxWorkers) => _maxWorkers = maxWorkers;

    public static WorkerPool GetInstance(int maxWorkers = 1)
    {
        lock (_lock)
        {
            if (!_instances.TryGetValue(maxWorkers, out var instance))
                _instances[maxWorkers] = instance = new WorkerPool(maxWorkers);
            return instance;
        }
    }
}

C# vs C++ 實作差異

C# 由 GC 自動管理記憶體，單例生命週期無需手動釋放；C++ 需考慮解構時機與記憶體洩漏問題。C# 實作更簡潔安全。

二、Strategy 策略模式

動機

定義一系列演算法，將各自封裝並使其可互換。讓演算法的變化獨立於使用它的客戶端。

結構角色

• Strategy (介面)：定義演算法共同介面。
• ConcreteStrategy：實作具體演算法。
• Context：持有 Strategy 參考，委派實際運作。

C# 實作範例：質數測試

// 策略介面
public interface IPrimeTestStrategy
{
    bool IsPrime(int n);
}

// 具體策略
public class MillerRabinStrategy : IPrimeTestStrategy
{
    public bool IsPrime(int n) 
    {
        Console.WriteLine("Using Miller-Rabin algorithm");
        // 實作細節略
        return true; 
    }
}

public class FermatStrategy : IPrimeTestStrategy
{
    public bool IsPrime(int n) 
    {
        Console.WriteLine("Using Fermat algorithm");
        return true; 
    }
}

public class MersenneStrategy : IPrimeTestStrategy
{
    public bool IsPrime(int n) 
    {
        Console.WriteLine("Using Mersenne algorithm");
        return true; 
    }
}

// Context
public class PrimalityTester
{
    private readonly IPrimeTestStrategy _strategy;

    public PrimalityTester(IPrimeTestStrategy strategy)
    {
        _strategy = strategy;
    }

    public bool Test(int n) => _strategy.IsPrime(n);
}

// 客戶端使用
public class Program
{
    public static void Main()
    {
        Console.Write("Number to test: ");
        int n = int.Parse(Console.ReadLine());

        Console.Write("Performance (low/medium/high): ");
        string level = Console.ReadLine().ToLower();

        IPrimeTestStrategy strategy = level switch
        {
            "low" => new MillerRabinStrategy(),
            "medium" => new FermatStrategy(),
            "high" => new MersenneStrategy(),
            _ => throw new ArgumentException("Invalid level")
        };

        var tester = new PrimalityTester(strategy);
        bool result = tester.Test(n);
        Console.WriteLine($"Result: {result}");
    }
}

優點

1. 開放封閉原則：新增演算法無需修改 Context。
2. 消除條件判斷：避免客戶端充滿 if/else 或 switch。
3. 執行時切換：可動態替換策略物件。

三、總結

Singleton 確保全域唯一存取點，Strategy 讓演算法族群可換拔。兩者皆體現「封裝變化」的核心思想，是建立彈性架構的基石。下一篇將介紹 Decorator 與 Composite 模式。