C++单例模式

 一般情况下,我们建立的一些类是属于工具性质的,基本不用存储太多的跟自身有关的数据,在这种情况下,每次都去new一个对象,既增加了开销,也是的代码更加臃肿。如果采用全局或者静态变量的方式,会影响封装性,难保别的代码不会对全局变量造成影响。

 考虑到这些需要,我们将默认的构造函数声明为私有的,这样就不会被外部所new了,甚至可以将析构函数也声明为私有的,这样就只有自己能够删除自己了。
单例模式的作用:

确保一个类只有一个实例被建立;
提供了一个对对象的全局访问指针;
在不影响单例类的客户端的情况下允许将来有多个实例。

懒汉:不到万不得已不回去实例化类,也就是说在第一次使用到时才会去实例化;
饿汉:饿了肯定就要饥不择食,所以在单例类定义时就进行实例化。

饿汉式

 接下来我们介绍的是单例模式的饿汉实现,饿汉模式是线程安全的,以空间换时间,因为饿汉模式在类创建的同时就已经创建好一份静态对象供系统使用,以后不再改变。

C++ 代码实现


class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance(){
        return instance;
    }
private:
    Singleton(){}
    //将复制构造函数和赋值操作符也设为私有,防止被复制
    Singleton(const Singleton&){}
    Singleton& Singleton(const Singleton&){}

    static Singleton* instance; 
}

懒汉式

当它的返回值是这个函数首次被访问时创建,以时间换空间,下面是单线程下实现方式,多线程下不安全。

class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance(){
        if(instance == NULL)
            instance = new Singleton();
        return instance;
    }
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) {}

    static Singleton* instance;
}

多线程式

主要针对懒汉模式,通过加锁机制来确保多线程环境下只创建一个实例,并且用两个if判断来提高效率

class Singleton{
private:
    Singleton* instance();
    Singelton(){}
public:
    Singleton* getInstance(){
        if(instance ==NULL){
            lock();//此处可以借助其他库或类对进程加锁
            if(instance==NULL)
                instance = new Singleton();
            unlock();
        }
        return 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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