饿汉式和懒汉式

单例模式是指在任何时候都保证只有一个类实例，并提供一个访问它的全局访问节点。

单例模式结构图：
在这里插入图片描述
解释：单例模式就是一个类，但这个类有点特殊，特殊在他只能创建一个实例，而对外就是提供一个外界可以访问的实例化方法。

但是如何保证让它只能实例化一个对象？示例代码如下：

// 饿汉式写法
class Singleton {
private:
    Singleton() {}
private:
    static Singleton* sig;
public:
    static Singleton* instance() {
        return sig;
    }
    // 删除带掉拷贝构造和赋值拷贝构造
    Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton* Singleton::sig = new Singleton;

这里声明了一个Single的单例类，类中有两个与其它类不同的地方，一个就是它的构造函数是私有的，这样做的目的就是防止外界调用构造函数，而只要外界不能调用构造函数那么就不能对该类进行实例化(类内可以访问私有的构造函数所以只能类内实例化)。所以提供一个instance专门用来实例化的函数，用来对一个没有实例化的对象进行实例化，外界只能通过该函数来获取实例。sig和instance声明为static的原因是静态成员函数只能调用静态成员。

到这里可以说是已经实现了一个基本的单例类。而这只是单例类的一种懒汉式写法。

懒汉式写法有如下优缺点：

优点：饿汉式单例是最简单的一种单例形式，它没有添加任何的锁，执行效率最高，并且能够保证线程安全。

缺点：某些情况下，造成内存浪费，因为对象未被使用的情况下就会被初始化，如果一个项目中的类多达上千个，在项目启动的时候便开始初始化可能并不是我们想要的。

下面来介绍另一种饿汉式写法。

多线程中的懒汉式

在多线程中上面的懒汉式明显是存在问题的，比如当两个线程同时执行到if (sig == nullptr)语句且条件为true时，然后两个线程都会去执行sig = new Single;这一句代码，这就违反了单例只能实例化一个对象的规定。所以下面是对懒汉式改进后的结果：

// 懒汉式写法
class Singleton {
private:
    Singleton() {}
private:
    static mutex lock;
    static Singleton* sig;
public:
    static Singleton* instance() {
        if (sig == nullptr) {
            lock_guard<mutex> lk(lock);
            if (sig == nullptr)
                sig = new Singleton();
        }
        return sig;
    }
    Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton* Singleton::sig = nullptr;
mutex Singleton::lock; // 内外定义，链接时分配内存

lock_guard<mutex> qlock(lock)是确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不进入临界区。如果其它线程试图进入锁定的代码，则它将一直处于等待状态，直到该对象被释放为止。而外面再加一层是否为空的判断是为了保证执行lock_guard<mutex> qlock(lock)的时候确保当前的对象时没有被实例过的，因为上锁操作对性能是有影响的，所以这里会有一个双重的判定。

单例模式内存释放问题

对于单例模式我们开辟的内存其实不用释放，原因是单例对象在内存中只保存了一份所以对空间占用不是很高，还有单例对象实例的对象我们一般都会经常用到所以最好还是不要释放，但是如果你确实需要对实例的对象进行释放的话我们可以在类中再增加一个类，该类就类似于智能指针的作用，专门用来负责单例对象的释放。

单例模式优缺点

优点：
在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：
没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

单例应用场景

Windows系统的任务管理器。
Windows系统的回收站。
操作系统的文件系统，一个操作系统只能有一个文件系统。
数据库连接池的设计与实现。
多线程的线程池设计与实现。

测试代码

#include <iostream>
#include <mutex>
using namespace std;

#define LAZY
#ifdef LAZY

// 懒汉式写法
class Singleton {
private:
    Singleton() {}
private:
    static mutex lock;
    static Singleton* sig;
public:
    static Singleton* instance() {
        if (sig == nullptr) {
            lock_guard<mutex> lk(lock);
            if (sig == nullptr)
                sig = new Singleton();
        }
        return sig;
    }
    Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton* Singleton::sig = nullptr;
mutex Singleton::lock; // 内外定义，链接时分配内存

#elif HUNGRY

// 饿汉式写法
class Singleton {
private:
    Singleton() {}
private:
    static Singleton* sig;
public:
    static Singleton* instance() {
        return sig;
    }
    Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton* Singleton::sig = new Singleton;

#endif

int main()
{
    Singleton * sig = nullptr;
    sig = Singleton::instance();
    if (sig) {
        cout << "instance success" << endl;
    } else {
        cout << "instance failed" << endl;
    }
    return 0;
}