C++,设计模式,【单例模式】

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一、模式定义与核心价值

单例模式是一种创建型设计模式,确保一个类只有一个实例存在,并提供该实例的全局访问点。该模式的核心价值体现在:

  • 资源统一管理(如配置管理器)
  • 防止重复创建(如线程池/连接池)
  • 全局访问控制(如日志系统)
  • 共享资源协调(如打印机设备)

二、模式结构解析

class Singleton {
   
   
private:
    static Singleton* instance;  // 静态实例指针
    Singleton() {
   
   }               // 私有构造函数
    
    // 禁止拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

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

三、关键实现技术演进

1. 基础版(非线程安全)

class BasicSingleton {
   
   
    // ... 同上基础结构 ...
};

2. 线程安全版(双重检查锁)

#include <mutex>

class ThreadSafeSingleton {
   
   
private:
    static std::atomic<ThreadSafeSingleton*> instance;
    static std
### 单例模式概述 单例模式是一种创建型设计模式,确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点来访问这个实例。在C++中,单例模式常用于需要全局唯一实例的场景,如日志记录器、数据库连接池等。 ### 实现方法 #### 饿汉式单例 饿汉式单例在程序启动时就创建实例,因此是线程安全的。以下是饿汉式单例的实现代码: ```cpp #include <iostream> class Singleton { private: // 私有构造函数,防止外部实例化 Singleton() {} // 禁止拷贝构造函数 Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止赋值运算符 Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 唯一实例 static Singleton instance; public: // 静态方法,用于获取唯一实例 static Singleton& getInstance() { return instance; } void doSomething() { std::cout << "Singleton is doing something." << std::endl; } }; // 初始化唯一实例 Singleton Singleton::instance; int main() { Singleton& singleton = Singleton::getInstance(); singleton.doSomething(); return 0; } ``` 在上述代码中,`Singleton` 类的构造函数被声明为私有,这意味着外部无法直接实例化该类。`getInstance` 方法用于获取唯一的实例,而 `instance` 是在类外进行初始化的。 #### 懒汉式单例 懒汉式单例在第一次使用时才创建实例。在多线程环境下,需要考虑线程安全问题。以下是一个线程安全的懒汉式单例实现: ```cpp #include <iostream> #include <mutex> class Singleton { private: // 私有构造函数,防止外部实例化 Singleton() {} // 禁止拷贝构造函数 Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止赋值运算符 Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 唯一实例指针 static Singleton* instance; // 互斥锁,用于线程安全 static std::mutex mutex_; public: // 静态方法,用于获取唯一实例 static Singleton& getInstance() { std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); if (instance == nullptr) { instance = new Singleton(); } return *instance; } void doSomething() { std::cout << "Singleton is doing something." << std::endl; } }; // 初始化唯一实例指针 Singleton* Singleton::instance = nullptr; // 初始化互斥锁 std::mutex Singleton::mutex_; int main() { Singleton& singleton = Singleton::getInstance(); singleton.doSomething(); return 0; } ``` 在上述代码中,使用了 `std::mutex` 来保证线程安全。在 `getInstance` 方法中,使用 `std::lock_guard` 来自动管理锁的获取和释放。 ### 使用场景 - **日志记录器**:在整个应用程序中,通常只需要一个日志记录器来记录所有的日志信息。 - **数据库连接池**:为了避免频繁地创建和销毁数据库连接,可以使用单例模式来管理数据库连接池。 - **配置管理**:应用程序的配置信息通常是全局唯一的,可以使用单例模式来管理配置信息。 ### 最佳实践 - **确保线程安全**:在多线程环境下,需要使用锁或其他同步机制来保证单例的线程安全。 - **防止拷贝和赋值**:将拷贝构造函数和赋值运算符声明为私有或删除,防止外部进行拷贝和赋值操作。 - **内存管理**:对于使用 `new` 创建的单例实例,需要确保在程序结束时正确释放内存,或者使用智能指针来管理内存。
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