创建型模式——单例（singleton）

1. 模式说明

单例模式保证类只有一个实例；创建一个对象，当你创建第二个对象的时候，此时你获取到的是已经创建过的对象，而不是一个新的对象；

1.1 使用场景

共享资源的访问权限；任务的管理类；数据库的操作等；

1.2 要素

• 私有化类的构造函数；
• 使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例
• 公有静态方法获取该实例；

1.3 类型

• 懒汉模式
• 饿汉模式

2. 懒汉模式

单例实例在第一次被使用时才进行初始化，延迟初始化

2.1 基本

示例

/** @brief         : design patterns singleton* @author        : your name* @compile       : g++ -g singleton_main.cc -o d -std=c++11* @date          : 2023/04/18* @lastEditorDate:   */#include <iostream>
#include <string>//懒汉模式
class Singleton
{
public:static Singleton*  getSingletonInstance()   //访问函数{if(instance == nullptr){instance = new Singleton;}return instance;}public:void addCount() {m_count++;}int32_t getCount() {return m_count;}private:static Singleton* instance;    //静态指针变量Singleton(){}    //私有化类的构造函数int32_t m_count{0};
};Singleton* Singleton::instance = nullptr;    //静态成员类外初始化int main(int argc, char* argv[])
{Singleton* single_0 = Singleton::getSingletonInstance();single_0->addCount();std::cout<<"single_0 value is: "<<single_0->getCount()<<std::endl<<std::endl;Singleton* single_1 = Singleton::getSingletonInstance();single_1->addCount();std::cout<<"single_0 value is: "<<single_0->getCount()<<std::endl;std::cout<<"single_1 value is: "<<single_1->getCount()<<std::endl<<std::endl;    return 0;
}

输出

single_0 value is: 1single_0 value is: 2
single_1 value is: 2

2.2 线程安全

2.1中的示例是线程不安全的，假如有多个线程同时调用getSingletonInstance()，此时检测到instance是nullptr，就会导致单例的崩溃，造成内存泄漏；

通过加锁来实现
示例

/** @brief         : design patterns singleton* @author        : your name* @compile       : g++ -g singleton_main.cc -o d -std=c++11* @date          : 2023/04/18* @lastEditorDate:   */#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>//懒汉模式
std::mutex mtx;  //全局的锁
class Singleton
{
public:static Singleton*  getSingletonInstance()   //访问函数{if(instance == nullptr){std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx); if(instance == nullptr){instance = new Singleton;}            }return instance;}public:void addCount() {m_count++;}int32_t getCount() {return m_count;}private:    static Singleton* instance;    //静态指针变量Singleton(){}    //私有化类的构造函数int32_t m_count{0};
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;    //静态成员类外初始化int main(int argc, char* argv[])
{Singleton* single_0 = Singleton::getSingletonInstance();single_0->addCount();std::cout<<"single_0 value is: "<<single_0->getCount()<<std::endl<<std::endl;Singleton* single_1 = Singleton::getSingletonInstance();single_1->addCount();std::cout<<"single_0 value is: "<<single_0->getCount()<<std::endl;std::cout<<"single_1 value is: "<<single_1->getCount()<<std::endl<<std::endl;    return 0;
}

输出

single_0 value is: 1single_0 value is: 2
single_1 value is: 2

使用 c++11 中局部静态变量是线程安全的性质

示例

/** @brief         : design patterns singleton* @author        : your name* @compile       : g++ -g singleton_main.cc -o d -std=c++11* @date          : 2023/04/18* @lastEditorDate:   */#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>//懒汉模式
class Singleton
{
public:static Singleton* getSingletonInstance()   //访问函数{static Singleton instance;    //静态指针变量return &instance;}public:void addCount() {m_count++;}int32_t getCount() {return m_count;}private:  Singleton(){}    //私有化类的构造函数int32_t m_count{0};
};int main(int argc, char* argv[])
{Singleton* single_0 = Singleton::getSingletonInstance();single_0->addCount();std::cout<<"single_0 value is: "<<single_0->getCount()<<std::endl<<std::endl;Singleton* single_1 = Singleton::getSingletonInstance();single_1->addCount();std::cout<<"single_0 value is: "<<single_0->getCount()<<std::endl;std::cout<<"single_1 value is: "<<single_1->getCount()<<std::endl<<std::endl;    return 0;
}

输出

single_0 value is: 1single_0 value is: 2
single_1 value is: 2

3. 饿汉模式

指单例实例在程序运行时被立即执行初始化

示例

/** @brief         : design patterns singleton* @author        : your name* @compile       : g++ -g singleton_main.cc -o d -std=c++11* @date          : 2023/04/18* @lastEditorDate:   */#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>//饿汉模式
class Singleton
{
public:static Singleton*  getSingletonInstance()   //访问函数{        return instance;}public:void addCount() {m_count++;}int32_t getCount() {return m_count;}private:static Singleton* instance;    //静态指针变量Singleton(){}    //私有化类的构造函数int32_t m_count{0};
};Singleton* Singleton::instance = new Singleton;    //静态成员类外初始化int main(int argc, char* argv[])
{Singleton* single_0 = Singleton::getSingletonInstance();single_0->addCount();std::cout<<"single_0 value is: "<<single_0->getCount()<<std::endl<<std::endl;Singleton* single_1 = Singleton::getSingletonInstance();single_1->addCount();std::cout<<"single_0 value is: "<<single_0->getCount()<<std::endl;std::cout<<"single_1 value is: "<<single_1->getCount()<<std::endl<<std::endl;    return 0;
}

输出

single_0 value is: 1single_0 value is: 2
single_1 value is: 2

4. 在开发过程中的使用

在项目的使用过程中，可以将单例设计成为类模板；这样其它类在设计的时候不用考虑，是否需要将其设计成为单例；

其它类如果需要单例属性，只需要通过单例模板对其进行赋能即可；

示例

/** @brief         : design patterns singleton* @author        : your name* @compile       : g++ -g singleton_main.cc -o d -std=c++11* @date          : 2023/04/18* @lastEditorDate:   */#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>template<class T>
class Singleton
{
public:static T* getSingletonInstance()   //访问函数{static T instance;    //静态指针变量return &instance;}
private:  Singleton(){}    //私有化类的构造函数
};class C1
{
public:void addCount() {m_count++;}int32_t getCount() {return m_count;}    private:    int32_t m_count{0};
};int main(int argc, char* argv[])
{auto re1 = Singleton<C1>::getSingletonInstance();re1->addCount();std::cout<<"re1->getCount() value is: "<<re1->getCount()<<std::endl;auto re2 = Singleton<C1>::getSingletonInstance();re2->addCount();std::cout<<"re1->getCount() value is: "<<re1->getCount()<<std::endl;std::cout<<"re2->getCount() value is: "<<re2->getCount()<<std::endl;return 0;
}

输出

re1->getCount() value is: 1
re1->getCount() value is: 2
re2->getCount() value is: 2