单例模式（C++）

定义

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点。

应用场景

• 在软件系统中，经常有这样一些特殊的类,必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率。
• 如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例?
• 这应该是类设计者的责任,而不是使用者的责任。

结构

代码示例

普通懒汉式（线程不安全）

多线程情况下线程不安全

//Singleton.h
/****************************************************/
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H///  普通懒汉式实现 -- 线程不安全 //
#include <iostream> // std::cout
#include <mutex>    // std::mutex
#include <pthread.h> // pthread_create
class SingleInstance
{public:// 获取单例对象static SingleInstance *GetInstance();// 释放单例，进程退出时调用static void deleteInstance();// 打印单例地址void Print();private:// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构SingleInstance();~SingleInstance();// 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值SingleInstance(const SingleInstance &signal);const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);private:// 唯一单例对象指针static SingleInstance *m_SingleInstance;
};//初始化静态成员变量
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;SingleInstance* SingleInstance::GetInstance()
{if (m_SingleInstance == NULL){m_SingleInstance = new (std::nothrow) SingleInstance;  // 没有加锁是线程不安全的，当线程并发时会创建多个实例}return m_SingleInstance;
}void SingleInstance::deleteInstance()
{if (m_SingleInstance){delete m_SingleInstance;m_SingleInstance = NULL;}
}void SingleInstance::Print()
{std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}SingleInstance::SingleInstance()
{std::cout << "构造函数" << std::endl;
}SingleInstance::~SingleInstance()
{std::cout << "析构函数" << std::endl;
}
///  普通懒汉式实现 -- 线程不安全  //// 线程函数
void *PrintHello(void *threadid)
{// 主线程与子线程分离，两者相互不干涉，子线程结束同时子线程的资源自动回收pthread_detach(pthread_self());// 对传入的参数进行强制类型转换，由无类型指针变为整形数指针，然后再读取int tid = *((int *)threadid);std::cout << "Hi, 我是线程 ID:[" << tid << "]" << std::endl;// 打印实例地址SingleInstance::GetInstance()->Print();pthread_exit(NULL);
}#endif

//test.cpp
/****************************************************/
#include "Singleton.h"
#include <pthread.h> // pthread_create
#define NUM_THREADS 5 // 线程个数
int main()
{pthread_t threads[NUM_THREADS] = {0};int indexes[NUM_THREADS] = {0}; // 用数组来保存i的值int ret = 0;int i = 0;std::cout << "main() : 开始 ... " << std::endl;for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++){std::cout << "main() : 创建线程:[" << i << "]" << std::endl;indexes[i] = i; //先保存i的值// 传入的时候必须强制转换为void* 类型，即无类型指针ret = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)&(indexes[i]));if (ret){std::cout << "Error:无法创建线程," << ret << std::endl;exit(-1);}}// 手动释放单实例的资源SingleInstance::deleteInstance();std::cout << "main() : 结束! " << std::endl;return 0;
}

加锁懒汉式（线程安全）

//Singleton.h
/****************************************************/
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H
#include <pthread.h> // pthread_create
#include <iostream> // std::cout
#include <mutex>    // std::mutex
///  加锁的懒汉式实现  //
class SingleInstance
{public:// 获取单实例对象static SingleInstance *&GetInstance();//释放单实例，进程退出时调用static void deleteInstance();// 打印实例地址void Print();private:// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构SingleInstance();~SingleInstance();// 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值SingleInstance(const SingleInstance &signal);const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);private:// 唯一单实例对象指针static SingleInstance *m_SingleInstance;static std::mutex m_Mutex;
};//初始化静态成员变量
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;
std::mutex SingleInstance::m_Mutex;SingleInstance *&SingleInstance::GetInstance()
{//  这里使用了两个 if判断语句的技术称为双检锁；好处是，只有判断指针为空的时候才加锁，//  避免每次调用 GetInstance的方法都加锁，锁的开销毕竟还是有点大的。if (m_SingleInstance == NULL) {std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // 加锁if (m_SingleInstance == NULL){m_SingleInstance = new (std::nothrow) SingleInstance;}}return m_SingleInstance;
}void SingleInstance::deleteInstance()
{std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // 加锁if (m_SingleInstance){delete m_SingleInstance;m_SingleInstance = NULL;}
}void SingleInstance::Print()
{std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}SingleInstance::SingleInstance()
{std::cout << "构造函数" << std::endl;
}SingleInstance::~SingleInstance()
{std::cout << "析构函数" << std::endl;
}
///  加锁的懒汉式实现  //#endif

静态局部变量的懒汉单例（C++11线程安全）

//Singleton.h
/****************************************************/
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H
#include <pthread.h> // pthread_create
#include <iostream> // std::cout
#include <mutex>    // std::mutex
///  内部静态变量的懒汉实现  //
class Single
{public:// 获取单实例对象static Single &GetInstance();// 打印实例地址void Print();private:// 禁止外部构造Single();// 禁止外部析构~Single();// 禁止外部复制构造Single(const Single &signal);// 禁止外部赋值操作const Single &operator=(const Single &signal);
};Single &Single::GetInstance()
{// 局部静态特性的方式实现单实例static Single signal;return signal;
}void Single::Print()
{std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}Single::Single()
{std::cout << "构造函数" << std::endl;
}Single::~Single()
{std::cout << "析构函数" << std::endl;
}
///  内部静态变量的懒汉实现  //#endif

饿汉式（本身就线程安全）

//Singleton.h
/****************************************************/
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H
#include <pthread.h> // pthread_create
#include <iostream> // std::cout
#include <mutex>    // std::mutex
// 饿汉实现 /
class Singleton
{
public:// 获取单实例static Singleton* GetInstance();// 释放单实例，进程退出时调用static void deleteInstance();// 打印实例地址void Print();private:// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构Singleton();~Singleton();// 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值Singleton(const Singleton &signal);const Singleton &operator=(const Singleton &signal);private:// 唯一单实例对象指针static Singleton *g_pSingleton;
};// 代码一运行就初始化创建实例 ，本身就线程安全
Singleton* Singleton::g_pSingleton = new (std::nothrow) Singleton;Singleton* Singleton::GetInstance()
{return g_pSingleton;
}void Singleton::deleteInstance()
{if (g_pSingleton){delete g_pSingleton;g_pSingleton = NULL;}
}void Singleton::Print()
{std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}Singleton::Singleton()
{std::cout << "构造函数" << std::endl;
}Singleton::~Singleton()
{std::cout << "析构函数" << std::endl;
}
// 饿汉实现 /#endif

代码参考：C++ 线程安全的单例模式总结
我这里运行结果总是有点不尽人意，不知道是怎么回事，所以就没放运行结果，推荐看原文。

要点总结

• Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。
• Singleton模式一般不要支持拷贝构造函数和Clone接口，因为这有可能导致多个对象实例,与Singleton模式的初衷违背。
• 如何实现多线程环境下安全的Singleton?注意对双检查锁的正确实现。