【设计模式】C++单例模式详解

单例模式

⼀个类仅有⼀个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。

那么，我们必须保证：该类不能被复制；也不能被公开的创造。

对于 C++ 来说，它的构造函数，拷贝构造函数和赋值函数都不能被公开调用。

单例模式又分为 懒汉模式 和 饿汉模式 ，它们之间各有好处：

1. 懒汉模式的实例在第一次被引用时才进行初始化，支持延迟加载，资源利用效率更高；但是当资源访问频繁时，资源同步问题（加锁、解锁）会限制并发性能，也就是不支持高并发。

2. 饿汉模式提前初始化实例，启动时间较长；但是可以避免资源同步（加锁、解锁）带来的性能消耗，后续的响应时间更好。

饿汉模式

在加载类时，对象实例就被创建并初始化，在程序结束时自动销毁，因此，它是线程安全的。

//.h文件 
class Singleton { 
public:   
    static Singleton* GetInstance(){    
        return _Instance; 
    }
  
private:   
    Singleton() = default;
    ~Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&) = delete;   
    Singleton& operator = (const Singleton&) = delete; 

private:   
    static Singleton* _Instance; 
}; 

// .CPP文件 
Singleton* Singleton::_Instance = nullptr;  // 类外初始化，必须写

懒汉模式

在 C++11 标准中，静态局部变量 的初始化是线程安全的，因此，可以用以下方式来编写“懒汉”模式：

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

更加传统的写法如下，使用 双重检查锁定 来确保线程安全，通过静态成员函数 Destructor 来解决内存泄漏：

//代码实例（线程安全） 
emplate<typename T> 
class Singleton { 
public: 
    static T* getInstance() {       
        if (_instance == nullptr) {   
            lock_guard<mutex> lock(_mutex);   
            if (_instance == nullptr) {     // 双重检查锁定, 确保线程安全
                _instance = new T();
                atexit(Destructor);     // 在程序退出的时候释放资源
            }
        }   
        return _instance; 
    } 
private:    
    // 防止外界构造/拷贝/删除对象
    Singleton() = default;     
    ~Singleton() = default;     
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator = (const Singleton&) = delete;
  
    static void Destructor() {
        if (_instance != nullptr) {
            delete _instance;
            _instance = nullptr;
        }
    }
    
    // 静态指针
    static T* _instance; 
    // 互斥锁
    static mutex _mutex;
}; 

// 初始化静态指针
template<typename T> 
T* Singleton<T>::_instance = nullptr;

// 初始化互斥锁
template<typename T>
mutex Singleton<T>::_mutex;

但是，这种写法可能出现以下问题：

由于 new 操作分为三步：分配内存、返回指针、调用构造函数；如果一个线程在分配内存后返回了指针，但还没有构造对象，另一个线程就尝试访问该对象的情况，就可能会出现未定义行为或错误。

因此，还是推荐使用“静态局部变量”的写法。

单例的应用

需要强调的是，单例只是一种组织全局变量和静态函数的方式 。

当我们想要拥有应用于某种全局数据集的功能，并且我们想要重复使用时，单例是非常有用的。比如以下场景：

• 配置管理；

• 日志记录；

• 消息队列；

• 线程池、连接池、内存池、对象池。

但是，单例模式是存在弊端的：

1. 单例模式会隐藏类之间的依赖关系。

由于单例类不需要显示地创建，也不需要依赖参数传递，在函数中直接调用就好，所以在阅读代码时，需要仔细阅读才能清楚哪些类依赖了单例类。

2. 单例模式的拓展性较差。

单例类只能创建一个实例，如果哪天需要在代码中创建多个实例，则需要对代码进行较大的改动。

以数据库连接池为例，假设一开始我们将其设计为一个单例类，而后我们发现，有些 SQL 语句的执行效率低下，长时间占用连接资源，因此我们希望再创建一个连接池实例，让它专门处理运行速度较慢的 SQL 语句，而此时，单例模式就对代码的拓展性产生了影响。