单例模式 (Singleton)

概念

单例模式 确保一个类在整个程序生命周期中只有一个实例，并提供一个全局访问点。
它是一种创建型设计模式，广泛用于需要共享资源的场景。

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使用场景

1. 配置管理器：程序中需要一个全局的配置对象。
2. 日志系统：确保日志记录器只有一个实例。
3. 数据库连接池：共享一个数据库连接实例。

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实现单例模式的要点

1. 私有构造函数：防止外部通过 new 操作符创建实例。
2. 静态成员变量：保存类的唯一实例。
3. 静态方法：提供全局访问点。
4. 线程安全：确保多线程环境下实例只有一个。

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示例代码：线程安全的单例模式

#include <iostream>
#include <mutex>

// 单例类定义
class Singleton {
private:
    // 静态实例指针，用于保存唯一实例
    static Singleton* instance;

    // 互斥锁，保证多线程环境下的线程安全
    static std::mutex mtx;

    // 私有构造函数，禁止外部实例化
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton Created!" << std::endl;
    }

public:
    // 禁止拷贝构造和赋值操作
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    // 静态方法，用于获取唯一实例
    static Singleton* getInstance() {
        // 双重检查锁定，减少锁的开销
        if (instance == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 加锁
            if (instance == nullptr) {
                instance = new Singleton(); // 创建唯一实例
            }
        }
        return instance;
    }

    // 提供一些功能方法
    void doSomething() {
        std::cout << "Singleton is working!" << std::endl;
    }

    // 销毁实例（可选）
    static void destroyInstance() {
        delete instance;
        instance = nullptr;
    }
};

// 静态成员变量初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

// 主函数：测试单例模式
int main() {
    // 获取单例实例
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();

    // 调用单例方法
    s1->doSomething();

    // 检查两个实例是否相同
    std::cout << "Are s1 and s2 the same? " << (s1 == s2 ? "Yes" : "No") << std::endl;

    // 销毁单例实例
    Singleton::destroyInstance();

    return 0;
}

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代码详解

1. 私有化构造函数

• 目的：禁止通过 new 操作符创建实例。

Singleton() {
    std::cout << "Singleton Created!" << std::endl;
}

2. 静态成员变量

• 保存唯一的单例实例，初始值为 nullptr。

static Singleton* instance;

3. 互斥锁

• 确保在多线程环境下，多个线程不会同时创建实例。

static std::mutex mtx;

4. 静态方法 getInstance

• 提供唯一实例的全局访问点。
• 双重检查锁定：减少锁的开销，提高性能。

static Singleton* getInstance() {
    if (instance == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
}

5. 销毁实例

• 可选：在程序结束时清理单例实例。

static void destroyInstance() {
    delete instance;
    instance = nullptr;
}

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运行结果

执行代码输出：

Singleton Created!
Singleton is working!
Are s1 and s2 the same? Yes

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单例模式的优缺点

优点

1. 全局唯一实例：确保实例唯一性。
2. 延迟初始化：实例在第一次使用时才会创建。
3. 线程安全：双重检查锁定保证线程安全。

缺点

1. 难以测试：单例模式引入全局状态，可能影响单元测试。
2. 不适合频繁访问的场景：线程安全的实现有一定性能开销。
3. 内存泄漏风险：如果程序结束时未释放实例，可能造成内存泄漏。

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适合扩展的改进

1. 懒汉式与饿汉式：可选择延迟初始化（懒汉式）或直接初始化（饿汉式）。
2. 智能指针管理：用 std::unique_ptr 管理单例实例，避免内存泄漏。
3. 多线程优化：采用 C++11 的 std::call_once 确保线程安全。