C++单例模式

C++ 中的单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的设计模式，确保一个类在应用程序的生命周期内只有一个实例，并提供全局访问点。它适用于需要在整个系统中共享资源或协调行为的场景，例如日志记录、配置管理器、线程池等。

单例模式的关键特性

唯一实例：类只创建一个实例，所有对该类的调用都返回相同的实例。
全局访问点：提供一个全局访问点，方便其他对象获取该实例。
受控实例化：类自身控制实例的创建过程，防止外部直接创建对象。

在 C++ 中实现单例模式

下面介绍几种在 C++ 中实现单例模式的方法，包括线程安全的实现和注意事项。

1. 基本单例实现（懒汉式，C++11 及以上）

class Singleton {
private:// 私有构造函数，防止外部实例化Singleton() {// 初始化代码}// 删除拷贝构造和赋值运算符，防止复制Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;public:// 获取实例的静态方法static Singleton& getInstance() {static Singleton instance; // C++11 保证线程安全的初始化return instance;}// 公共方法void someMethod() {// 方法实现}
};

使用方法：

Singleton& singleton = Singleton::getInstance();
singleton.someMethod();

说明：

私有构造函数：防止外部通过 new 操作符创建对象。
删除拷贝构造和赋值运算符：防止复制或赋值实例。
静态局部变量：getInstance() 中的静态局部变量 instance，在第一次调用时创建，且 C++11 保证其线程安全。

2. 懒汉式单例（手动控制线程安全）

如果使用的是 C++11 之前的标准，或者需要更明确地控制线程安全：

#include <mutex>class Singleton {
private:static Singleton* instance;static std::mutex mtx;Singleton() {// 初始化代码}public:static Singleton* getInstance() {if (instance == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}}return instance;}// 公共方法void someMethod() {// 方法实现}
};// 静态成员变量初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

说明：

双重检查锁定：第一次检查 instance 是否为 nullptr，避免不必要的加锁。加锁后再次检查，确保线程安全。
手动内存管理：需要注意实例的释放，可以在程序结束时手动删除，或者使用智能指针。

3. 使用 `std::call_once` 实现线程安全单例

C++11 提供了 std::call_once 和 std::once_flag，可以更简单地实现线程安全的单例：

#include <mutex>class Singleton {
private:static Singleton* instance;static std::once_flag flag;Singleton() {// 初始化代码}public:static Singleton* getInstance() {std::call_once(flag, []() {instance = new Singleton();});return instance;}// 公共方法void someMethod() {// 方法实现}
};// 静态成员变量初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::flag;

说明：

std::call_once：确保传递的初始化函数只调用一次，线程安全且高效。

4. 饿汉式单例（程序启动时创建实例）

class Singleton {
private:static Singleton instance;Singleton() {// 初始化代码}public:static Singleton& getInstance() {return instance;}// 公共方法void someMethod() {// 方法实现}
};// 静态成员变量初始化
Singleton Singleton::instance;

说明：

实例在程序启动时创建：适用于实例创建开销小，且一定会使用的情况。
线程安全：由于实例在程序开始时创建，避免了多线程访问时的同步问题。

注意事项

析构问题：如果单例对象在程序结束时需要释放资源，需要注意析构函数的调用时机，可能涉及到静态对象的销毁顺序问题。
多线程环境：在多线程环境下，必须确保单例的实例化过程是线程安全的，推荐使用 C++11 提供的线程库。
拷贝控制：必须删除拷贝构造函数和赋值运算符，防止通过复制方式创建新实例。
谨慎使用单例：单例模式可能导致代码的高耦合性，过度使用会影响代码的可测试性和可维护性，应根据实际需求慎重考虑。

完整示例

#include <iostream>
#include <mutex>class Logger {
private:static Logger* instance;static std::mutex mtx;Logger() {// 私有构造函数}// 禁止拷贝和赋值Logger(const Logger&) = delete;Logger& operator=(const Logger&) = delete;public:static Logger* getInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {instance = new Logger();}return instance;}void log(const std::string& message) {// 日志记录实现std::cout << "Log: " << message << std::endl;}
};// 静态成员变量初始化
Logger* Logger::instance = nullptr;
std::mutex Logger::mtx;// 使用示例
int main() {Logger::getInstance()->log("This is a singleton pattern example.");return 0;
}