C++ 设计模式：单例模式（Singleton Pattern）

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单例模式（Singleton Pattern）是创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个实例。单例模式在需要全局共享资源或控制实例数量的场景中非常有用，例如数据库连接、日志记录器等。

1.问题分析

在开发中，有些对象需要全局唯一的实例。例如：

• 配置管理器：应用程序的配置通常需要全局唯一的实例，以确保配置的一致性。
• 日志记录器：日志记录器需要全局唯一的实例，以便集中管理日志输出。
• 线程池：线程池需要全局唯一的实例，以便高效地管理线程资源。
• 数据库连接池：数据库连接池需要全局唯一的实例，以便复用数据库连接，减少连接创建和销毁的开销。

如果这些对象被多次创建，会导致以下问题：

• 资源浪费：每次创建新实例都会消耗系统资源，导致资源浪费。
• 状态不一致：多个实例之间的状态可能不一致，导致程序行为不可预测。
• 管理复杂：多个实例的管理和维护变得复杂，增加了代码的复杂性和维护成本。

为了避免上述问题，我们需要一种机制来确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。这就是单例模式的核心需求。

2.实现步骤

1. 私有化构造函数：将类的构造函数、拷贝构造函数和赋值运算符设为私有，防止外部创建实例。
2. 定义静态成员变量：用于存储单例对象的唯一实例。
3. 提供公共静态方法：提供全局访问点来获取单例对象的唯一实例。

3.代码示例

3.1.简单形式

class Singleton {public:// 删除拷贝构造函数和赋值运算符，防止复制单例对象Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;// 获取单例实例的公共静态方法static Singleton& getInstance() {// 使用局部静态变量来实现线程安全的单例模式static Singleton instance;return instance;}// 示例方法，显示单例实例的地址void showMessage() { std::cout << "Singleton instance address: " << this << std::endl; }private:// 私有构造函数，防止外部创建实例Singleton() { std::cout << "Singleton instance created." << std::endl; }// 私有析构函数，防止外部删除实例~Singleton() { std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl; }
};

int main() {// 获取单例实例并调用方法Singleton& singleton = Singleton::getInstance();singleton.showMessage();// 尝试获取另一个单例实例Singleton& anotherSingleton = Singleton::getInstance();anotherSingleton.showMessage();return 0;
}

3.2.指针形式

#include <memory>
#include <mutex>
#include <stdexcept>class Singleton {public:// 删除拷贝构造函数和赋值运算符，防止复制实例Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;// 获取实例的静态方法static Singleton& getInstance() {if (!instance) {throw std::logic_error("Instance not yet initialized. Call initInstance() first.");}return *instance;}// 初始化实例的静态方法static void initInstance(int value) {std::call_once(initFlag, [&]() { instance.reset(new Singleton(value)); });}// 示例方法void showMessage() { std::cout << "Singleton instance address: " << this << std::endl; }private:// 私有化构造函数，防止外部创建实例Singleton(int value) : value_(value) { std::cout << "Singleton instance created with value: " << value_ << std::endl; }// 私有化析构函数，防止外部删除实例~Singleton() { std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl; }// 静态智能指针成员变量，用于保存唯一的实例static std::unique_ptr<Singleton> instance;// 用于确保单例初始化的标志static std::once_flag initFlag;// 示例成员变量int value_;
};// 初始化静态成员变量
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::initFlag;

int main() {// 初始化单例实例Singleton::initInstance(42);// 获取单例实例并调用方法Singleton& singleton = Singleton::getInstance();singleton.showMessage();// 再次获取单例实例并调用方法Singleton& singleton2 = Singleton::getInstance();singleton2.showMessage();return 0;
}