【C++几种单例模式解读及实现方式】

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前言

单例模式几乎是每种语言都不可少的一种设计模式，今天就针对C++语言来解读下集中单例模式，并给出代码说明。

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一、单例是什么？

单例就是单实例，简而言之内存中只存在这一个实例，在很多场景下很有用，比如线程池、内存池等等。

二、解读

按照创建时机可以分为饿汉式和懒汉式。所谓饿汉式就是程序启动的时候立即创建，饿汉式就是需要的时候创建。

1.懒汉式

懒汉式顾名思义，不会主动创建，直到主动获取才创建。懒汉式又主要分为两种，线程安全和线程不安全。接下来分别介绍这几种和提供源代码示例。

简单模式:

class Singleton {static Singleton *getInstance() {if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}return instance;}private:static Singleton *instance;};Singleton *Singleton::instance = nullptr;

优点：性能和饿汉式差不多，没有锁，性能不会损失
缺点：线程不安全
总结：需要自己确保线程安全，比如启动线程前就要创建好，避免竞争条件产生

线程安全：

#include <mutex>
class Singleton {public:static Singleton *getInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}return instance;}private:static Singleton *instance;static std::mutex mtx;};Singleton *Singleton::instance = nullptr;std::mutex Singleton::mtx;

优点：线程安全，随时随地都是安全的
缺点：性能差，每次获取实例都要上锁
总结：不建议使用

双重检查锁：

#include <mutex>
class Singleton {public:static Singleton *getInstance() {if (instance == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}}return instance;}private:static Singleton *instance;static std::mutex mtx;};Singleton *Singleton::instance = nullptr;std::mutex Singleton::mtx;

优点：线程安全，性能比上面的强
缺点：性能有轻微损耗，只有第一次创建才需要上锁，后面访问不需要上锁
总结：强烈推荐，既解决了线程安全问题，又解决了性能问题

2.饿汉式

不会产生数据竞争，程序启动时就创建和，在竞争条件出现之前创建完成，所以先天是线程安全的。

class Singleton {public:static Singleton &getInstance() {return instance;}private:static Singleton instance;};Singleton Singleton::instance;

优点：线程安全，性能最好
缺点：无论需不需要都会创建，会浪费资源
总结：可用但不太推荐

3.static变量特性

C++11之后static修饰的局部变量有一个很重要的特性：初始化的时候会自动加锁，这个特性是编译器负责维护的。所以可以借用这个特性开发一个单例模式，一定是线程安全的，而且提供不俗的性能。

注：这个单例又叫米尔斯单例(Meyers' Singleton)

class Singleton {public:static Singleton &getInstance() {static Singleton instance;return instance;}private:Singleton() {}public:Singleton(const Singleton &) = delete;Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;};

优点：线程安全，性能不俗
缺点：初始化上锁略微拖慢性能，后面正常获取，C++11以后版本才行
总结：极其推荐

4.call_once特性

除了米尔斯单例，还有一个C++11的新特性可以设计单例，这个特性我们平常容易忽视，那就是call_once。它也是一种线程同步机制，C++保证call_once保护的方法只被调用一次。

#include <atomic>
class Singleton {public:static Singleton& getInstance(){std::call_once(flag,[]{instance = new Singleton();});return *instance;}private:static Singleton* instance;static std::once_flag flag;};Singleton* Singleton::instance = nullptr;std::once_flag Singleton::flag;

优点：线程安全，性能不俗，针对方法可以同时初始化多个资源
缺点：第一次调用拖慢性能，后面就不会了，C++11以后版本才行
总结：和米尔斯很像，但是实现比米尔斯复杂，推荐指数放在米尔斯单例之后

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总结

1、C++11以上版本优先使用米尔斯单例，比双重检查锁性能强
2、其他场景建议双重检查锁，call_once酌情使用