C语言-单例模式详解与实践

1. 什么是单例模式？

单例模式（Singleton Pattern）是最简单的设计模式之一，它保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。在C语言中，我们通常通过全局变量和函数来实现这一模式。

2. 为什么需要单例模式？

• 确保某个类只有一个实例
• 提供对该实例的全局访问点
• 控制共享资源的访问

3. 实际应用场景

单例模式在很多场景下都很有用，比如：

• 日志管理器
• 数据库连接池
• 配置管理器
• 缓存系统

4. 代码实现

下面我们以一个日志管理器为例，展示如何在C语言中实现单例模式。

4.1 UML 关系图列

4.2 头文件 (logger.h)

#ifndef LOGGER_H
#define LOGGER_H

#include <stdio.h>

// 日志管理器结构体
typedef struct {
    FILE* log_file;
} Logger;

// 获取日志管理器实例
Logger* get_logger_instance(void);

// 写入日志
void log_message(Logger* logger, const char* message);

// 清理日志管理器
void destroy_logger(void);

#endif // LOGGER_H

4.3 实现文件 (logger.c)

#include "logger.h"
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>

// 静态实例指针
static Logger* instance = NULL;

Logger* get_logger_instance(void) {
    if (instance == NULL) {
        // 延迟初始化
        instance = (Logger*)malloc(sizeof(Logger));
        if (instance != NULL) {
            instance->log_file = fopen("app.log", "a");
            if (instance->log_file == NULL) {
                free(instance);
                instance = NULL;
                return NULL;
            }
        }
    }
    return instance;
}

void log_message(Logger* logger, const char* message) {
    if (logger != NULL && logger->log_file != NULL) {
        // 获取当前时间
        time_t now;
        time(&now);
        char* time_str = ctime(&now);
        time_str[strlen(time_str) - 1] = '\0';  // 移除换行符
        
        // 写入带时间戳的日志
        fprintf(logger->log_file, "[%s] %s\n", time_str, message);
        fflush(logger->log_file);
    }
}

void destroy_logger(void) {
    if (instance != NULL) {
        if (instance->log_file != NULL) {
            fclose(instance->log_file);
        }
        free(instance);
        instance = NULL;
    }
}

4.4 使用示例 (main.c)

#include "logger.h"
#include <stdio.h>

int main() {
    // 获取日志实例
    Logger* logger = get_logger_instance();
    if (logger == NULL) {
        printf("Failed to create logger instance\n");
        return 1;
    }

    // 写入一些日志
    log_message(logger, "Application started");
    log_message(logger, "Processing data...");
    log_message(logger, "Data processing completed");
    
    // 验证单例特性
    Logger* another_logger = get_logger_instance();
    log_message(another_logger, "This is the same logger instance");
    
    // 程序结束前清理
    destroy_logger();
    
    return 0;
}

5. 代码分析

5.1 关键设计点

1. 单一实例保证

   • 使用静态指针 static Logger* instance 确保全局唯一性
   • 通过判空实现延迟初始化

2. 资源管理

   • 提供 destroy_logger() 函数进行资源清理
   • 合理处理内存分配和文件操作

3. 线程安全考虑

   • 当前实现是非线程安全的
   • 在多线程环境下需要添加互斥锁

5.2 实现特点

• 延迟初始化（懒汉式）
• 全局访问点
• 自动资源管理
• 简单易用的API

6. 编译和运行

gcc -c logger.c -o logger.o
gcc -c main.c -o main.o
gcc logger.o main.o -o program

7. 注意事项

1. 在多线程环境下需要添加线程安全机制
2. 注意资源的正确释放
3. 错误处理要完善
4. 日志文件路径最好可配置

8. 改进建议

1. 添加日志级别（INFO、WARNING、ERROR等）
2. 实现日志轮转功能
3. 添加格式化输出支持
4. 增加配置选项（如日志文件路径、缓冲区大小等）

9. 总结

单例模式虽然简单，但在实际应用中非常有用。通过本文的实例，我们不仅学习了单例模式的实现，还了解了在C语言中进行面向对象设计的一些技巧。这个日志管理器的实现虽然基础，但包含了完整的单例模式实现思路，可以作为其他单例应用的参考。

参考资料

1. 《设计模式：可复用面向对象软件的基础》
2. C语言编程规范
3. 现代C语言编程实践