C++单例模式

单例模式详解

单例模式是面试官非常爱考的一种设计模式。当我第一次接触的时候,感觉这是个什么鬼?不过自己还是坚持下来,下面是我关于这个模式的一些思路和想法。
1.单例模式的概念:

  • 通俗点来说,一个类只能创建一个对象即为单例模式。
    在很多时候,为了更安全,可靠的访问某个服务器的话,就必须要设计出一个独立的对象去访问它,而其他对象则不能够进行访问。
    单例模式的实现主要有两种方式:饿汉模式和懒汉模式。

2.饿汉模式
不管你用或者不用,程序启动的时候就会创建唯一的一个对象。
如果这个单例对象在多线程高并发环境下频繁使用,性能要求较高,那么显然使用饿汉模式来避免资源竞争,提高响应速度更好。

class Singleton
{
	public:
	{
		static Singleton* GetInstance()
		{
			return &instance;
		}
	}
	private:
	{
		Singleton(){};
		
		Singleton(Singleton conat&)
		{}
		
		Singleton& operator=(singleton const&)
		{}
		
		static Singleton instance;
	}
};
Singleton Singleton::instance;

3.懒汉模式
如果单例对象构造时或者占用很大的资源,比如加载插件,初始化网络连接,读取文件等,又或者该对象程序运行时不会用到。那么如果在程序一开始就进行初始化的话,就会导致启动的时候非常的缓慢。这种情况用懒汉模式更好。(延迟加载)

#include<iostream>
#include<mutex>

class Singleton
{
	public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if(nullptr == instance)
		{
		 // 注意这里一定要使用Double-Check的方式加锁,才能保证效率和线程安全
			m_mtx.lock();
			if(nullptr == instance)
			{
				instance == new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		return instance;
	}
	private:  
		Singleton(){};
		Singleton(Singleton const&)
		{}
		
		Singleton& operator=(Singleton const&)
		{}
		
    	static Singleton* m_instance;  
    	static mutex m_mtx;
   	 	  
};
Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr;
mutex Singleton::m_mtx;
 
### 单例模式的基本概念 单例模式是创建型设计模式的一种,其核心思想是确保一个类仅有一个实例,并提供一个全局访问点来获取这个实例。在程序运行期间,单例模式可以保证一个类只有一个实例对象,并提供全局访问接口[^1][^2][^4]。 ### 实现方法 #### 饿汉式 饿汉式在程序开始时就创建实例,线程安全,但可能会造成资源浪费。 ```cpp #include <iostream> class Singleton { public: static Singleton& getInstance() { return instance; } void showMessage() { std::cout << "Hello from Singleton!" << std::endl; } private: Singleton() { std::cout << "Singleton Constructor Called" << std::endl; } // 防止复制 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; static Singleton instance; }; Singleton Singleton::instance; int main() { Singleton& instance1 = Singleton::getInstance(); Singleton& instance2 = Singleton::getInstance(); instance1.showMessage(); if (&instance1 == &instance2) { std::cout << "Both instances are the same." << std::endl; } return 0; } ``` #### 懒汉式(非线程安全) 懒汉式在第一次使用时才创建实例,但非线程安全。 ```cpp #include <iostream> class Singleton { public: static Singleton* getInstance() { if (instance == nullptr) { instance = new Singleton(); } return instance; } void showMessage() { std::cout << "Hello from Singleton!" << std::endl; } private: Singleton() { std::cout << "Singleton Constructor Called" << std::endl; } // 防止复制 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; static Singleton* instance; }; Singleton* Singleton::instance = nullptr; int main() { Singleton* instance1 = Singleton::getInstance(); Singleton* instance2 = Singleton::getInstance(); instance1->showMessage(); if (instance1 == instance2) { std::cout << "Both instances are the same." << std::endl; } return 0; } ``` #### 懒汉式(线程安全) 使用互斥锁保证线程安全,但会有一定的性能开销。 ```cpp #include <iostream> #include <mutex> class Singleton { public: static Singleton& getInstance() { std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex); if (instance == nullptr) { instance = new Singleton(); } return *instance; } void showMessage() { std::cout << "Hello from Singleton!" << std::endl; } private: Singleton() { std::cout << "Singleton Constructor Called" << std::endl; } // 防止复制 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; static Singleton* instance; static std::mutex mutex; }; Singleton* Singleton::instance = nullptr; std::mutex Singleton::mutex; int main() { Singleton& instance1 = Singleton::getInstance(); Singleton& instance2 = Singleton::getInstance(); instance1.showMessage(); if (&instance1 == &instance2) { std::cout << "Both instances are the same." << std::endl; } return 0; } ``` #### 基于局部静态变量(C++11及以上) 简洁、安全且高效,推荐使用。 ```cpp #include <iostream> class Singleton { public: static Singleton& getInstance() { static Singleton instance; return instance; } void showMessage() { std::cout << "Hello from Singleton!" << std::endl; } // 防止复制 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; private: Singleton() { std::cout << "Singleton Constructor Called" << std::endl; } }; int main() { Singleton& instance1 = Singleton::getInstance(); Singleton& instance2 = Singleton::getInstance(); instance1.showMessage(); if (&instance1 == &instance2) { std::cout << "Both instances are the same." << std::endl; } return 0; } ``` ### 使用场景 - **资源管理**:例如数据库连接池、文件系统操作等,避免多个实例同时操作同一资源导致冲突。 - **配置信息**:如全局的配置文件管理,确保所有模块使用相同的配置信息。 - **日志记录**:保证所有日志信息都记录到同一个日志文件中。 ### 注意事项 - **线程安全**:在多线程环境下,需要确保单例的创建和访问是线程安全的,可采用互斥锁或局部静态变量的方式。 - **生命周期管理**:确保单例对象在整个程序生命周期内的正确性,避免内存泄漏。 - **可测试性**:单例模式可能会影响代码的可测试性,可考虑使用依赖注入等技术来提高可测试性。 - **避免滥用**:单例模式会引入全局状态,过度使用可能导致代码耦合度增加,难以维护和扩展。
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