c++模式之单例模式详解

1.概念

单例模式是指在整个系统生命周期内，保证一个类只能产生一个实例，确保该类的唯一性.
使用单例两个原因：
1.节省资源。一个类只有一个实例，不存在多份实例，节省资源。
2.方便控制。在一些操作公共资源的场景时，避免了多个对象引起的复杂操作
单例类的特点

• 构造函数和析构函数为私有类型，目的是禁止外部构造和析构。
• 拷贝构造函数和赋值构造函数是私有类型，目的是禁止外部拷贝和赋值，确保实例的唯一性。
• 类中有一个获取实例的静态方法，可以全局访问。

2.懒汉模式示例（缺点）

getInstance函数使用了懒汉式单例模式的实现方式。它首先检查静态成员变量instance是否为空，如果为空则创建一个新的实例，否则直接返回已有的实例。这种实现方式在单线程环境下是有效的，但在多线程环境下可能会导致线程安全问题。
在多线程环境下，多个线程可能会同时检查到instance为空，然后同时创建多个实例，违背了单例模式的初衷。为了解决这个问题，我们需要在创建实例时添加同步机制，以确保只有一个线程能够创建实例。

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void sleep(int time) { clock_t head = clock(); while (clock() - head <= time) {} }

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance; // 静态成员变量，用于保存单例实例
    Singleton() {} // 私有构造函数，防止外部实例化

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

    void someFunction() {
        // 单例的其他成员函数
        cout << "HELLO WORLD" << endl;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr; // 初始化静态成员变量

int main() {
    Singleton* obj1 = Singleton::getInstance();
    obj1->someFunction();

    Singleton* obj2 = Singleton::getInstance();
    obj2->someFunction();

    // obj1和obj2是同一个实例
    return 0;
}

3.懒汉模式线程安全

添加了一个静态成员变量mutex作为互斥锁，用于线程同步。在getInstance函数中，我们首先进行一次非线程安全的检查，如果instance为空，才会获取互斥锁并再次检查instance是否为空。这样可以确保只有一个线程能够创建实例。
使用了std::lock_guard来自动管理锁的加锁和解锁，以避免手动处理锁的释放。这样可以确保在任何情况下，无论是正常返回还是发生异常，都会自动释放锁。
这个改进后的示例提供了一种线程安全的懒汉式单例模式实现方式，可以在多线程环境下正常工作

#include 
#include 
using namespace std;

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance; // 静态成员变量，用于保存单例实例
    static std::mutex mutex; // 互斥锁，用于线程同步
    Singleton() {} // 私有构造函数，防止外部实例化

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            lock_guard<std::mutex> lock(mutex); // 加锁
            if (instance == nullptr) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }

    void someFunction() {
        // 单例的其他成员函数
        cout << "mutex hello world" << endl;
        
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr; // 初始化静态成员变量
std::mutex Singleton::mutex; // 初始化互斥锁

int main() {
    Singleton* obj1 = Singleton::getInstance();
    obj1->someFunction();

    Singleton* obj2 = Singleton::getInstance();
    obj2->someFunction();

    // obj1和obj2是同一个实例
    return 0;
}

4.饿汉式创建单例

它是一种在程序启动时就创建实例的单例模式。下面是一个简单的示例来说明如何实现C++的饿汉式单例模式。

Singleton类使用饿汉式的方式创建实例。在静态成员变量instance的定义处，我们直接使用new操作符创建了一个Singleton的实例，并将其赋值给instance。这样，在程序启动时，实例就会被创建并初始化。
在getInstance函数中，我们直接返回已经创建好的实例，而无需再进行实例化。
在main函数中，我们通过调用Singleton::getInstance()来获取单例实例，并调用其成员函数。由于使用了饿汉式创建实例，obj1和obj2实际上是同一个实例。
饿汉式在程序启动时就创建了实例，因此会占用一定的内存空间。此外，如果实例的创建过程较为复杂或耗时，可能会影响程序的启动速度。因此，在选择单例模式的实现方式时，需要根据具体的需求和场景来决定使用懒汉式还是饿汉式。

#include 
using namespace std;

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance; // 静态成员变量，用于保存单例实例
    Singleton() {} // 私有构造函数，防止外部实例化

public:
    static Singleton* getInstance() {
        return instance;
    }

    void someFunction() {
        cout << "Hungry Han style instance" << endl;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = new Singleton(); // 在静态成员变量初始化时创建实例

int main() {
    Singleton* obj1 = Singleton::getInstance();
    obj1->someFunction();

    Singleton* obj2 = Singleton::getInstance();
    obj2->someFunction();

    // obj1和obj2是同一个实例
    return 0;
}

5.饿汉模式线程示例

#include 
#include 
using namespace std;

class ThreadSingleton {
private:
    static ThreadSingleton* instance; // 静态成员变量，用于保存单例实例
    ThreadSingleton() {} // 私有构造函数，防止外部实例化

public:
    static ThreadSingleton* getInstance() {
        return instance;
    }

    void calculateSquareArea(double side) {
        double area = side * side;
        std::cout << "The area of the square is: " << area << std::endl;
    }
};

ThreadSingleton* ThreadSingleton::instance = new ThreadSingleton(); // 在静态成员变量初始化时创建实例

int main() {
    std::thread t1([&]() {
        ThreadSingleton* obj1 = ThreadSingleton::getInstance();
        obj1->calculateSquareArea(5);
        });

    std::thread t2([&]() {
        ThreadSingleton* obj2 = ThreadSingleton::getInstance();
        obj2->calculateSquareArea(8);
        });

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}