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c++单例模式(Singleton)多种实现方式及最优比较

news 来源：原创 2024/9/20 7:47:11

前言

关于C++单例模式的写法，大家都很熟悉。早期的设计模式中有代码示例。比如：

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

它的缺点：线程不安全，指针资源没有释放。

自从C++11推出后，单例模式有了更优秀的写法，下面来介绍下。

使用 std::call_once 实现

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <memory>class Singleton {
private:Singleton() { std::cout << "Singleton constructed." << std::endl; }static std::once_flag initInstanceFlag;static std::unique_ptr<Singleton> instance;// 删除拷贝构造函数和赋值操作符Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;public:static Singleton& getInstance() {std::call_once(initInstanceFlag, []() {instance.reset(new Singleton());});return *instance;}void someMethod() {std::cout << "Method of the singleton" << std::endl;}~Singleton() {std::cout << "Singleton destructed." << std::endl;}
};std::once_flag Singleton::initInstanceFlag;
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance;// 使用示例
void threadFunction() {Singleton& singleton = Singleton::getInstance();singleton.someMethod();
}int main() {std::thread t1(threadFunction);std::thread t2(threadFunction);t1.join();t2.join();return 0;
}

优点：线程安全、内存安全。显式控制初始化过程，适合需要延迟初始化的场景。

使用局部静态变量实现（C++11及以后）

#include <iostream>
#include <memory>class Singleton {
private:Singleton() { std::cout << "Singleton constructed." << std::endl; }// 关闭拷贝构造函数、右值拷贝构造函数和赋值操作符Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton(const Singleton &&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;public:static Singleton& getInstance() {static Singleton instance;return instance;}void someMethod() {std::cout << "Method of the singleton" << std::endl;}~Singleton() {std::cout << "Singleton destructed." << std::endl;}
};// 使用示例
void threadFunction() {Singleton& singleton = Singleton::getInstance();singleton.someMethod();
}int main() {std::thread t1(threadFunction);std::thread t2(threadFunction);t1.join();t2.join();return 0;
}

优点：线程安全。代码最简洁，由C++11标准保证线程安全，适合大多数场景。
缺点：适用于不复杂的工程。因为如果静态类之间有依赖，可能会导致C++的一些未定义的行为。

Meyers 的版本

Scott Meyers 是 Effective C++系列的作者，他最早提供了简洁版本的 Singletion 模型。根据他提供的模型，可以写出线程安全又简单的单例模式。代码如下：

#include <stdio.h>class singleton {static singleton &instance() {static singleton instance;return instance;} // instancesingleton(const singleton &) = delete;singleton & operator = (const singleton &) = delete;private:singleton() {}~singleton() {}public:void out(){ printf("out\n"); }
}; // struct singletonint main() {singleton::instance().out();return 0;
}

缺点：单一的实例总是在 main() 开始之前被初始化的，该实现无法做到 lazyinit。
优化版本：

 template<typename T>class singleton {public:static T &instance();singleton(const singleton &) = delete;singleton &operator=(const singleton) = delete;protected:singleton() = default;};template<typename T>inline T &singleton<T>::instance() {static const std::unique_ptr<T> instance{new T{token{}}};return *instance;}

优点：线程安全、内存安全。

鸿蒙单例实现

线程安全、内存安全、延迟加载、支持lazyinit、实现单例模板。当前在使用中，代码可靠。
使用说明，请点这里。
下面只展示DelayedSingleton实现示例。完整代码以及其它几种单例实现，请点这里。

template<typename T>
class DelayedSingleton : public NoCopyable {
public:static std::shared_ptr<T> GetInstance();static void DestroyInstance();private:static std::shared_ptr<T> instance_;  instance.static std::mutex mutex_; 
};template<typename T>
std::shared_ptr<T> DelayedSingleton<T>::instance_ = nullptr;template<typename T>
std::mutex DelayedSingleton<T>::mutex_;template<typename T>
std::shared_ptr<T> DelayedSingleton<T>::GetInstance()
{if (instance_ == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (instance_ == nullptr) {std::shared_ptr<T> temp(new (std::nothrow) T);instance_ = temp;}}return instance_;
}template<typename T>
void DelayedSingleton<T>::DestroyInstance()
{std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (instance_ != nullptr) {instance_.reset();instance_ = nullptr;}
}