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单例模式（Singleton Pattern）是创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个实例。单例模式在需要全局共享资源或控制实例数量的场景中非常有用，例如数据库连接、日志记录器等。
1.问题分析
在开发中，有些对象需要全局唯一的实例。例如：
- 配置管理器：应用程序的配置通常需要全局唯一的实例，以确保配置的一致性。
- 日志记录器：日志记录器需要全局唯一的实例，以便集中管理日志输出。
- 线程池：线程池需要全局唯一的实例，以便高效地管理线程资源。
- 数据库连接池：数据库连接池需要全局唯一的实例，以便复用数据库连接，减少连接创建和销毁的开销。
如果这些对象被多次创建，会导致以下问题：
- 资源浪费：每次创建新实例都会消耗系统资源，导致资源浪费。
- 状态不一致：多个实例之间的状态可能不一致，导致程序行为不可预测。
- 管理复杂：多个实例的管理和维护变得复杂，增加了代码的复杂性和维护成本。
为了避免上述问题，我们需要一种机制来确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。这就是单例模式的核心需求。
2.实现步骤
- 私有化构造函数：将类的构造函数、拷贝构造函数和赋值运算符设为私有，防止外部创建实例。
- 定义静态成员变量：用于存储单例对象的唯一实例。
- 提供公共静态方法：提供全局访问点来获取单例对象的唯一实例。
3.代码示例
3.1.简单形式
class Singleton {
public:
// 删除拷贝构造函数和赋值运算符，防止复制单例对象
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
// 获取单例实例的公共静态方法
static Singleton& getInstance() {
// 使用局部静态变量来实现线程安全的单例模式
static Singleton instance;
return instance;
}
// 示例方法，显示单例实例的地址
void showMessage() { std::cout << "Singleton instance address: " << this << std::endl; }
private:
// 私有构造函数，防止外部创建实例
Singleton() { std::cout << "Singleton instance created." << std::endl; }
// 私有析构函数，防止外部删除实例
~Singleton() { std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl; }
};
int main() {
// 获取单例实例并调用方法
Singleton& singleton = Singleton::getInstance();
singleton.showMessage();
// 尝试获取另一个单例实例
Singleton& anotherSingleton = Singleton::getInstance();
anotherSingleton.showMessage();
return 0;
}
3.2.指针形式
#include <memory>
#include <mutex>
#include <stdexcept>
class Singleton {
public:
// 删除拷贝构造函数和赋值运算符，防止复制实例
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
// 获取实例的静态方法
static Singleton& getInstance() {
if (!instance) {
throw std::logic_error("Instance not yet initialized. Call initInstance() first.");
}
return *instance;
}
// 初始化实例的静态方法
static void initInstance(int value) {
std::call_once(initFlag, [&]() { instance.reset(new Singleton(value)); });
}
// 示例方法
void showMessage() { std::cout << "Singleton instance address: " << this << std::endl; }
private:
// 私有化构造函数，防止外部创建实例
Singleton(int value) : value_(value) { std::cout << "Singleton instance created with value: " << value_ << std::endl; }
// 私有化析构函数，防止外部删除实例
~Singleton() { std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl; }
// 静态智能指针成员变量，用于保存唯一的实例
static std::unique_ptr<Singleton> instance;
// 用于确保单例初始化的标志
static std::once_flag initFlag;
// 示例成员变量
int value_;
};
// 初始化静态成员变量
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::initFlag;
int main() {
// 初始化单例实例
Singleton::initInstance(42);
// 获取单例实例并调用方法
Singleton& singleton = Singleton::getInstance();
singleton.showMessage();
// 再次获取单例实例并调用方法
Singleton& singleton2 = Singleton::getInstance();
singleton2.showMessage();
return 0;
}
