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C# 設計模式精講：單例模式

編輯：關於C#

前言

單例模式是最基礎也最常被誤用的設計模式。本文透過遊戲伺服器負載平衡的真實場景，展示如何正確實作線程安全的單例，並探討其適用邊界。

模式意圖

確保一個類別只有一個實例存在，並提供一個全域存取點獲取該實例。

應用場景：遊戲伺服器負載平衡入口

開發網路遊戲伺服器端時，需承載大量玩家連線。類似 Web 負載平衡器，需要一個統一入口將玩家分發到不同的大廳伺服器。即使在高併發多線程情況下，這個入口必須是唯一的，否則會導致分發邏輯混亂、玩家重複分配等嚴重問題。

核心程式碼實作（雙重檢查鎖定）

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;

namespace SingletonExample
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ParameterizedThreadStart ts = new ParameterizedThreadStart(EnterPlayer);
            for (int i = 0; i < 20; i++)
            {
                Thread t = new Thread(ts);
                t.Start("player" + i);
            }
            LoadBalanceServer.GetLoadBalanceServer().ShowServerInfo();
        }

        static void EnterPlayer(object playerName)
        {
            LoadBalanceServer lbs = LoadBalanceServer.GetLoadBalanceServer();
            lbs.GetLobbyServer().EnterPlayer(playerName.ToString());
        }
    }

    class LoadBalanceServer
    {
        private const int SERVER_COUNT = 3;
        private List<LobbyServer> serverList = new List<LobbyServer>();
        private static volatile LoadBalanceServer lbs;
        private static readonly object syncLock = new object();

        private LoadBalanceServer()
        {
            for (int i = 0; i < SERVER_COUNT; i++)
                serverList.Add(new LobbyServer("LobbyServer" + i));
        }

        public static LoadBalanceServer GetLoadBalanceServer()
        {
            if (lbs == null)
            {
                lock (syncLock)
                {
                    if (lbs == null)
                    {
                        Thread.Sleep(100); // 模擬高併發延遲，正式碼移除
                        lbs = new LoadBalanceServer();
                    }
                }
            }
            return lbs;
        }

        public LobbyServer GetLobbyServer()
        {
            LobbyServer ls = serverList[0];
            for (int i = 1; i < SERVER_COUNT; i++)
                if (serverList[i].PlayerList.Count < ls.PlayerList.Count)
                    ls = serverList[i];
            return ls;
        }

        public void ShowServerInfo()
        {
            foreach (LobbyServer ls in serverList)
            {
                Console.WriteLine("=================" + ls.ServerName + "=================");
                foreach (string player in ls.PlayerList)
                    Console.WriteLine(player);
            }
        }
    }

    class LobbyServer
    {
        private List<string> playerList = new List<string>();
        public List<string> PlayerList => playerList;
        public string ServerName { get; }
        public LobbyServer(string serverName) => this.ServerName = serverName;
        public void EnterPlayer(string playerName) => playerList.Add(playerName);
    }
}

程式碼執行結果示意

執行結果：20 個玩家被平均分發到 3 台大廳伺服器

關鍵實作細節解析

volatile 關鍵字：防止指令重排序導致其他線程看到半初始化的實例。
雙重檢查鎖定：第一次 null 檢查避免不必要的鎖開銷；進入鎖後二次檢查確保單一實例化。
private 建構函式：阻止外部直接 new 實例。
靜態工廠方法：GetLoadBalanceServer() 為唯一全域存取點。
Thread.Sleep(100)：僅為演示高併發下的線程安全性，生產環境必須移除。

C# 更簡潔的替代方案：靜態初始化

public sealed class LoadBalanceServer
{
    private static readonly LoadBalanceServer instance = new LoadBalanceServer();
    static LoadBalanceServer() { } // 確保 lazy initialization
    private LoadBalanceServer() { /* 初始化邏輯 */ }
    public static LoadBalanceServer Instance => instance;
    // ... 其他方法
}

利用 CLR 保證的靜態建構函式線程安全與延遲初始化特性，程式碼更簡潔、效能更好，推薦作為首選。