【C++】单例模式

本文深入探讨了单例模式中为何采用静态成员变量实现单例对象,并解析了静态成员变量的初始化时机。通过具体的代码示例介绍了单例模式的实现方法。

#单例模式

  • 问题一
    为什么单例模式中的单例对象是用static修饰?为什么单例模式中的单例选择用静态成员的方式去实现?
  • 问题二
    这个静态成员变量什么时候被初始化呢?

##问题一

为什么单例模式中的单例对象是用static修饰?为什么单例模式中的单例选择用静态成员的方式去实现?

单例模式的使用方式是:需要采用一种方法,实现这样的一种工具。即未经实例化的去使用一个类。这个要求决定了需要使用静态成员变量来实现单例对象。类的静态成员变量属于类本身,为类的对象所共用,是c++数据共享的一个体现。而且静态变量的初始化是早于

##问题二

这个静态成员变量什么时候被初始化呢?


All static data is initiald to zero when the first object is created, if no other initialization is present. tutorialspoint.com
如果没有出现其他的初始化过程,静态变量会在第一个对象创建出来是被初始化成0。

要点

  • 私有构造函数
  • 公有静态函数 GetInstance()
  • 私有静态成员 __instance

.h文件


class One{
public:
    static One* GetInstance();
private:
    One(){}
    One(One&);
    One(const One&);
    const One& operator=(One&);
    const One& operator=(const One&);

private:
    static One* __instance;
};

.cpp文件


One* One::__instance = nullptr;

One* One::GetInstance(){
    if (__instance == nullptr)
        __instance = new One();
    return __instance;
}

宏定义版本


//单例模式声明和实现

#define SINGLETON_DEFINE(CLASS_NAME) public:    \
        static CLASS_NAME* GetInstance();       \
    private: CLASS_NAME(){}                     \
    CLASS_NAME(CLASS_NAME&);                    \
    CLASS_NAME(const CLASS_NAME&);              \
    const CLASS_NAME& operator=(CLASS_NAME&);                 \
    const CLASS_NAME& operator=(const CLASS_NAME&);           \
    private:                                    \
    static CLASS_NAME* __instance;              \


#define SINGLETON_IMPLETE(CLASS_NAME) \
    CLASS_NAME* CLASS_NAME::__instance = nullptr; \
    CLASS_NAME* CLASS_NAME::GetInstance(){       \
    if (CLASS_NAME::__instance == nullptr)       \
    {CLASS_NAME::__instance = new One();}        \
    return CLASS_NAME::__instance;}              \
### 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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