C++单例模式

单例模式

单例模式:一个类只生成一个对象

  1. 将类中的构造函数与拷贝构造函数屏蔽起来
  2. 在类中提供一个接口生成唯一的对象(不能返回类类型,不能依赖对象调用)

基本实现思路

  1. 单例模式要求类能够有返回对象一个引用(永远是同一个)和一个获得该实例的方法(必须是静态方法)。
  2. 单例的实现主要是通过以下两个步骤:
  • 将该类的构造方法定义为私有方法,这样其他处的代码就无法通过调用该类的构造方法来实例化该类的对象,只有通过该类提供的静态方法来得到该类的唯一实例;
  • 在该类内提供一个静态方法,当我们调用这个方法时,如果类持有的引用不为空就返回这个引用,如果类保持的引用为空就创建该类的实例并将实例的引用赋予该类保持的引用。
class Singleton
{
public:
	static Singleton *Instance();

protected:
	Singleton();

private:
	static Singleton *_instance;
};

Singleton* Singleton::_instance = 0;

Singleton::Singleton()
{
	cout << "Singleton...." << endl;
}
Singleton* Singleton::Instance()
{
	if (_instance == 0)
	{
		_instance = new Singleton();
	}
	return _instance;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
	Singleton* sgn = Singleton::Instance();
	return 0;
}

 

### 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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