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【C++设计模式】（三）创建型模式：单例模式

news 来源：原创 2024/9/20 13:55:18

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（三）创建型模式：单例模式
- 饿汉式
- 懒汉式
- 饿汉式 v.s. 懒汉式

（三）创建型模式：单例模式

单例模式在于确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。在某些情况下，某些代码组件（如线程池，日志记录器）需要在整个应用程序中共享，使用单例模式可以实现组件资源的复用，并简化系统设计。

单例模式实现方式主要包括饿汉式和懒汉式两种。

饿汉式

饿汉式是指在类加载的时候就创建单例实例，不管后续是否会使用这个实例。

class Singleton {
private:static Singleton* instance; // 静态成员变量，属于类本身而不是类的任何特定对象Singleton() {}              // 私有构造函数防止外部实例化public:static Singleton* getInstance() {  // 全局访问点return instance;}
};Singleton* Singleton::instance = new Singleton();  // 在静态成员变量初始化时创建实例

在多线程环境下，饿汉式是线程安全的，因为实例在类加载时就已经创建好了，不存在并发访问创建实例的问题。

示例：

#include <iostream>  class Singleton {  
private:  static Singleton instance; // 静态实例，在类加载时构造  Singleton() {} // 私有构造函数  public:  static Singleton& getInstance() {  return instance;  }  void doSomething() {  std::cout << "Doing something..." << std::endl;  }  
};  Singleton Singleton::instance; // 静态实例初始化  int main() {  Singleton& s1 = Singleton::getInstance();  Singleton& s2 = Singleton::getInstance();  if (&s1 == &s2) {  std::cout << "s1 and s2 are the same instance" << std::endl;  }  s1.doSomething();  return 0;  
}

s1 and s2 are the same instance
Doing something...

懒汉式

懒汉式是指在第一次使用时才会创建单例实例，实例的创建被延迟到第一次使用 getInstance() 方法时。

class Singleton {
private:static Singleton* instance;Singleton() {}  public:static Singleton* getInstance() {if (instance == nullptr) { // 第一次使用时才会创建单例实例instance = new Singleton();}return instance;}
};Singleton* Singleton::instance = nullptr;

示例：

#include <iostream>  class Singleton {  
private:  static Singleton* instance;  Singleton() {} // 私有构造函数  public:  static Singleton* getInstance() {  if (instance == nullptr) {  instance = new Singleton();  }  return instance;  }  ~Singleton() {  delete instance; // 注意：在程序结束时需要确保只调用一次析构函数  instance = nullptr;  }  void doSomething() {  std::cout << "Doing something..." << std::endl;  }  
};  Singleton* Singleton::instance = nullptr; // 静态成员变量初始化  int main() {  Singleton* s1 = Singleton::getInstance();  Singleton* s2 = Singleton::getInstance();  if (s1 == s2) {  std::cout << "s1 and s2 are the same instance" << std::endl;  }  s1->doSomething();  return 0;  
}

s1 and s2 are the same instance
Doing something...

懒汉式在多线程环境下是不安全的，因为多个线程可能同时进入判断条件，导致创建多个实例。因此，需要通过加锁等机制来保证线程安全:

 static std::mutex mtx;static Singleton* instance;Singleton* Singleton::getInstance() {// 使用互斥锁（`std::mutex`）来保证只有一个线程能够创建实例。std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}return instance;}

为了避免每次调用都加锁，产生额外的性能开销，可以在加锁的基础上，进行双重检查：

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