C++单例模式

1、什么是单例

单例 Singleton 是设计模式的一种，其特点是只提供唯一一个类的实例，具有全局变量的特点，在任何位置都可以通过接口获取到那个唯一实例。

具体应用场景如：

• 设备管理器。系统中可能有多个设备，但是只有一个设备管理器，用于管理设备驱动；

• 数据池。用来缓存数据的数据结构，需要在一处写，多处读取或者多处写，多处读取。

2、一个好的单例应该具备的条件

• 全局只有一个实例：static 特性，同时禁止用户自己声明并定义实例（把构造函数设为 private）
• 用户通过接口获取实例：使用 static 类成员函数
• 禁止赋值和拷贝
• 线程安全

3、懒汉模式与饿汉模式

• 懒汉模式：
  • 时间换空间；
  • 故名思义，不到万不得已就不会去实例化对象，在第一次用到类实例的时候才会去实例化对象；
  • 多线程情况下会存在线程安全问题，需要加互斥锁进行防护。
• 饿汉模式：
  • 空间换时间；
  • 在单例类定义的时候就进行实例化对象，当需要使用时只要通过接口函数直接获取对象。

4、单例实现：线程安全、内存安全的懒汉式单例（基于C++11的智能指针和互斥锁）

#include 
#include 
#include 

class Singleton {
public:
    ~Singleton() {
        std::cout << "destructor called!" << std::endl;
    }
    Singleton(Singleton&) = delete;                  // copy constructor can't be called
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // assignment operator can't be called

    static std::shared_ptr<Singleton> getInstance() {
        // 双重锁检测
        if (m_pInstance == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lk(m_mutex);

            if (m_pInstance == nullptr) {
                m_pInstance = std::shared_ptr<Singleton>(new Singleton);
            }
        }

        return m_pInstance;
    }

private:
    Singleton() {
        std::cout << "constructor called!" << std::endl;
    }

private:
    static std::shared_ptr<Singleton> m_pInstance;
    static std::mutex m_mutex;
};

// initialization static variables out of class
std::shared_ptr<Singleton> Singleton::m_pInstance = nullptr;
std::mutex Singleton::m_mutex;

int main() {
    std::shared_ptr<Singleton> instance1 = Singleton::getInstance();
    std::shared_ptr<Singleton> instance2 = Singleton::getInstance();
    
    return 0;
}

运行结果：

PS E:\Code\VSCode\Demo\build> ."E:/Code/VSCode/Demo/build/main.exe"
constructor called!
destructor called!

• 基于 shared_ptr，用了C++比较倡导的 RAII 思想，即用对象管理资源。当 shared_ptr 析构的时候，new 出来的对象也会被 delete 掉，此避免内存泄漏。
• 加了锁，使用互斥量来达到线程安全。这里使用了两个 if 判断语句的技术称为双检锁，其好处是，只有判断指针为空的时候才加锁，避免每次调用 get_instance 的方法都加锁，毕竟锁的开销还是有点大的。

不足之处在于： 使用智能指针会要求用户也得使用智能指针，非必要不应该提出这种约束；使用锁也有开销，并且在某些平台（与编译器和指令集架构有关），双检锁会失效！