C++单例模式教学指南

C++单例模式完整教学指南

📚 目录

1. [单例模式基础概念]
2. [经典单例实现及问题]
3. [现代C++推荐实现]
4. [高级话题：双重检查锁]
5. [实战应用与最佳实践]
6. [总结与选择指南]

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1. 单例模式基础概念

1.1 什么是单例模式？

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。

1.2 应用场景

• 日志系统：全局统一的日志记录器
• 配置管理：程序配置信息的统一管理
• 数据库连接池：管理数据库连接资源
• 线程池：管理线程资源
• 缓存系统：全局数据缓存

1.3 单例模式的核心要求

• ✅ 只能有一个实例
• ✅ 提供全局访问点
• ❌ 禁止拷贝构造
• ❌ 禁止赋值操作
• ⚡ 线程安全（多线程环境）

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2. 经典单例实现及问题

2.1 朴素实现（❌ 有问题）

class Singleton {
private:static Singleton* instance;Singleton() = default;public:static Singleton* getInstance() {if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();  // 线程不安全！}return instance;}
};Singleton* Singleton::instance = nullptr;

问题分析：

• ❌ 线程不安全：多线程可能创建多个实例
• ❌ 内存泄漏：new出来的对象永远不会被delete
• ❌ 没有禁止拷贝和赋值

2.2 加锁版本（✅ 安全但性能差）

class Singleton {
private:static Singleton* instance;static std::mutex mtx;Singleton() = default;public:Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;static Singleton* getInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 每次都加锁，性能差if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}return instance;}
};Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

改进点：

• ✅ 线程安全
• ✅ 禁止拷贝和赋值
• ❌ 性能问题：每次调用都要加锁
• ❌ 仍有内存泄漏

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3. 现代C++推荐实现

3.1 Meyers单例（⭐ 最推荐）

class Singleton {
private:Singleton() = default;~Singleton() = default;public:// 禁止拷贝和赋值Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;static Singleton& getInstance() {static Singleton instance;  // C++11起线程安全return instance;}// 示例方法void doSomething() {std::cout << "Singleton working..." << std::endl;}
};

优势分析：

• ✅ 线程安全：C++11保证局部静态变量初始化的线程安全性
• ✅ 性能优秀：初始化后调用无需加锁
• ✅ 自动析构：程序结束时自动清理
• ✅ 代码简洁：无需手动管理内存和锁

3.2 通用单例模板（⭐ 可复用）

template <typename T>
class Singleton {
public:// 禁止拷贝和赋值Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;static T& getInstance() {static T instance;return instance;}protected:Singleton() = default;~Singleton() = default;
};// 使用示例
class Logger : public Singleton<Logger> {friend class Singleton<Logger>;  // 允许Singleton访问私有构造函数private:Logger() { std::cout << "Logger initialized" << std::endl; }public:void log(const std::string& message) {std::cout << "[LOG] " << message << std::endl;}
};// 使用方法
int main() {Logger::getInstance().log("Hello Singleton!");return 0;
}

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4. 高级话题：双重检查锁

4.1 什么是双重检查锁（DCLP）？

双重检查锁定（Double-Checked Locking Pattern）是一种优化技术，减少锁的使用频率：

if (!instance) {           // 第一次检查（无锁）std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (!instance) {       // 第二次检查（加锁后）instance = new Singleton();}
}

4.2 传统DCLP的问题

class UnsafeSingleton {
private:static std::shared_ptr<UnsafeSingleton> instance;static std::mutex mtx;public:static std::shared_ptr<UnsafeSingleton> getInstance() {if (!instance) {  // 问题：可能读到"半成品"对象std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (!instance) {instance = std::make_shared<UnsafeSingleton>();  // 非原子操作}}return instance;}
};

问题根源： std::make_shared的执行过程不是原子的：

1. 分配内存
2. 调用构造函数
3. 设置指针值

其他线程可能在步骤2和3之间读到未完全构造的对象！

4.3 安全的DCLP实现

template <typename T>
class SafeDCLPSingleton {
private:static std::atomic<std::shared_ptr<T>> instance;static std::mutex mtx;protected:SafeDCLPSingleton() = default;~SafeDCLPSingleton() = default;public:SafeDCLPSingleton(const SafeDCLPSingleton&) = delete;SafeDCLPSingleton& operator=(const SafeDCLPSingleton&) = delete;static std::shared_ptr<T> getInstance() {// 原子读取auto temp = instance.load(std::memory_order_acquire);if (!temp) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);temp = instance.load(std::memory_order_relaxed);if (!temp) {temp = std::make_shared<T>();// 原子写入instance.store(temp, std::memory_order_release);}}return temp;}
};// 静态成员定义
template <typename T>
std::atomic<std::shared_ptr<T>> SafeDCLPSingleton<T>::instance{nullptr};template <typename T>
std::mutex SafeDCLPSingleton<T>::mtx;

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5. 实战应用与最佳实践

5.1 日志系统实现

class Logger : public Singleton<Logger> {friend class Singleton<Logger>;private:std::mutex log_mtx;std::ofstream log_file;Logger() {log_file.open("application.log", std::ios::app);}~Logger() {if (log_file.is_open()) {log_file.close();}}public:enum LogLevel { INFO, WARNING, ERROR };void log(LogLevel level, const std::string& message) {std::lock_guard<std::mutex> lock(log_mtx);auto now = std::chrono::system_clock::now();auto time_t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);log_file << "[" << std::put_time(std::localtime(&time_t), "%Y-%m-%d %H:%M:%S") << "] ";switch (level) {case INFO: log_file << "[INFO] "; break;case WARNING: log_file << "[WARN] "; break;case ERROR: log_file << "[ERROR] "; break;}log_file << message << std::endl;log_file.flush();}
};// 使用示例
int main() {Logger::getInstance().log(Logger::INFO, "Application started");Logger::getInstance().log(Logger::ERROR, "Something went wrong");return 0;
}

5.2 配置管理器

class ConfigManager : public Singleton<ConfigManager> {friend class Singleton<ConfigManager>;private:std::unordered_map<std::string, std::string> config_data;mutable std::shared_mutex config_mtx;ConfigManager() {loadFromFile("config.ini");}void loadFromFile(const std::string& filename) {// 简化的配置文件加载逻辑config_data["database_url"] = "localhost:3306";config_data["max_connections"] = "100";config_data["debug_mode"] = "true";}public:std::string getValue(const std::string& key, const std::string& default_value = "") const {std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(config_mtx);auto it = config_data.find(key);return (it != config_data.end()) ? it->second : default_value;}void setValue(const std::string& key, const std::string& value) {std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(config_mtx);config_data[key] = value;}int getIntValue(const std::string& key, int default_value = 0) const {std::string str_value = getValue(key);return str_value.empty() ? default_value : std::stoi(str_value);}bool getBoolValue(const std::string& key, bool default_value = false) const {std::string str_value = getValue(key);return str_value == "true" || str_value == "1";}
};

5.3 永不销毁的单例（特殊场景）

template <typename T>
class NeverDestroySingleton {
public:NeverDestroySingleton(const NeverDestroySingleton&) = delete;NeverDestroySingleton& operator=(const NeverDestroySingleton&) = delete;static T& getInstance() {static T* instance = new T();  // 永远不会被析构return *instance;}protected:NeverDestroySingleton() = default;~NeverDestroySingleton() = default;
};

使用场景：

• 防止静态析构顺序问题
• 程序退出时必须保持可用的组件（如日志系统）

注意： 这种方式会导致内存"泄漏"，但在某些场景下是可接受的。

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6. 总结与选择指南

6.1 各种实现方式对比

实现方式	线程安全	性能	内存管理	复杂度	推荐指数
朴素实现	❌	⭐⭐⭐⭐⭐	❌	⭐	❌
加锁版本	✅	⭐⭐	❌	⭐⭐	❌
Meyers单例	✅	⭐⭐⭐⭐⭐	✅	⭐	⭐⭐⭐⭐⭐
单例模板	✅	⭐⭐⭐⭐⭐	✅	⭐⭐	⭐⭐⭐⭐⭐
安全DCLP	✅	⭐⭐⭐⭐	✅	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐

6.2 选择建议

🎯 通用场景（90%的情况）

推荐：Meyers单例或单例模板

class MyClass : public Singleton<MyClass> {friend class Singleton<MyClass>;// 实现...
};

🎯 高并发系统

推荐：安全DCLP + atomic

• 网络服务器
• 游戏引擎
• 实时系统

🎯 特殊需求

• 需要延迟销毁：NeverDestroy单例
• 需要Mock测试：依赖注入替代单例
• 跨DLL使用：特殊处理或避免使用

6.3 使用注意事项

✅ 最佳实践

1. 优先使用Meyers单例（局部静态变量）
2. 总是禁止拷贝构造和赋值操作
3. 考虑使用模板提高代码复用性
4. 在构造函数中完成所有初始化工作
5. 注意异常安全性

❌ 常见误区

1. 不要手动管理单例的生命周期
2. 不要在单例的析构函数中访问其他单例
3. 避免在单例中使用其他单例（循环依赖）
4. 不要将单例用作全局变量的替代品

6.4 代码模板（直接使用）

// 文件：singleton.h
#pragma once
#include <mutex>
#include <memory>// 通用单例模板
template <typename T>
class Singleton {
public:Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;Singleton(Singleton&&) = delete;Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;static T& getInstance() {static T instance;return instance;}protected:Singleton() = default;virtual ~Singleton() = default;
};// 使用宏简化定义（可选）
#define SINGLETON_CLASS(ClassName) \friend class Singleton<ClassName>; \private: \ClassName(); \~ClassName() = default;

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