C++单例模式

设计模式

设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。

单例模式

一个类只能创建一个对象，即单例模式，该模式可以保证系统中该类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

这种类设计常用于需要控制资源访问的情况，如数据库连接、配置文件解析器等。单例类通常有一个私有的静态成员变量来存储唯一实例，一个私有的构造函数和一个公有的静态方法来获取该实例。

单例模式有两种实现模式：

饿汉模式

无论你将来用不用，程序启动时就创建一个唯一的实例对象。

// 饿汉模式
// 优点：简单
// 缺点：可能会导致进程启动慢，且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。class Singleton{public:static Singleton* GetInstance(){return &m_instance;}private:// 构造函数私有Singleton(){};// C++98 防拷贝Singleton(Singleton const&); Singleton& operator=(Singleton const&); // or// C++11Singleton(Singleton const&) = delete; Singleton& operator=(Singleton const&) = delete; static Singleton m_instance;};Singleton Singleton::m_instance;  // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化

1. 静态成员变量：Singleton m_instance;是一个静态成员变量，它在类被加载到JVM（对于Java）或程序启动时（对于C++）就被初始化。由于它是静态的，因此它在整个程序中只有一份拷贝，并且这个初始化过程只发生一次。
2. 私有构造函数：通过将构造函数设为私有（Singleton(){};），我们阻止了外部代码通过new关键字直接创建Singleton类的实例。这是实现单例模式的基本要求之一。
3. 禁用拷贝构造函数和赋值运算符：在C++98中，可以通过将拷贝构造函数和赋值运算符声明为私有但不实现（这会导致链接错误，因为如果有外部代码尝试使用它们，编译器会寻找它们的定义），或者将它们实现为空函数但不进行任何操作（这可能会导致逻辑错误，因为对象状态可能不一致）。然而，更安全的做法是在C++11及以后的版本中，使用delete关键字明确禁用它们（Singleton(Singletonconst&) = delete; Singleton& operator=(Singleton const&) =delete;），这样编译器会在编译时阻止任何尝试拷贝或赋值的行为。

如果这个单例对象在多线程高并发环境下频繁使用，性能要求较高，那么显然使用饿汉模式来避免资源竞争，提高响应速度更好。
饿汉模式的另一个潜在缺点是，如果单例对象在其构造函数中执行了昂贵的操作（如加载大型资源文件），那么这些操作将在程序启动时进行，可能会导致程序启动速度变慢。

懒汉模式

如果单例对象构造十分耗时或者占用很多资源，比如加载插件啊， 初始化网络连接啊，读取文件啊等等，而有可能该对象程序运行时不会用到，那么也要在程序一开始就进行初始化，就会导致程序启动时非常的缓慢。 所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好。

// 懒汉
// 优点：第一次使用实例对象时，创建对象。进程启动无负载。多个单例实例启动顺序自由控
制。
// 缺点：复杂
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
using namespace std;
class Singleton
{
public:static Singleton* GetInstance() {// 注意这里一定要使用Double-Check的方式加锁，才能保证效率和线程安全if (nullptr == m_pInstance) {m_mtx.lock();if (nullptr == m_pInstance) {m_pInstance = new Singleton();}m_mtx.unlock();}return m_pInstance;}// 实现一个内嵌垃圾回收类    class CGarbo {public:~CGarbo(){if (Singleton::m_pInstance)delete Singleton::m_pInstance;}};// 定义一个静态成员变量，程序结束时，系统会自动调用它的析构函数从而释放单例对象static CGarbo Garbo;
private:// 构造函数私有Singleton(){};// 防拷贝Singleton(Singleton const&);Singleton& operator=(Singleton const&);static Singleton* m_pInstance; // 单例对象指针static mutex m_mtx;   //互斥锁
};
Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;
int main()
{thread t1([]{cout << Singleton::GetInstance() << endl; });thread t2([]{cout << Singleton::GetInstance() << endl; });t1.join();t2.join();cout << Singleton::GetInstance() << endl;cout << Singleton::GetInstance() << endl;return 0;
}

示例中的GetInstance方法采用了双重检查锁（Double-Check Locking）模式，这是一种在多线程环境下实现懒汉模式的常见方法。它通过先检查实例是否存在来减少锁的使用，从而提高效率。