C++设计模式----单例设计模式-优快云博客

单例模式是设计模式中最简单也最常用的模式之一。它的核心思想是：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。

无论是哪种单例，都必须遵循以下两个关键原则：

私有化构造函数： 将构造函数声明为 private，防止外部直接使用 new 或直接创建对象。
禁用拷贝/赋值： 禁用拷贝构造函数和赋值运算符（使用 = delete），确保实例的唯一性

一、饿汉单例模式

原理：`_utils_instance` 被声明为类的 `static` 成员，并在类外部定义时被初始化。

静态成员在程序启动时（main 函数执行之前）就会被创建。

特点：

1.线程安全：实例是在主线程启动之前完成初始化的，不存在多线程竞争问题。

2.预先加载：只要程序启动，无论用不用得到，实例都会被创建。

3.优点：实现简单、天生线程安全，运行速度快。

4.缺点：浪费资源当单例对象很大，且在程序运行中很晚才会被用到，会造成不必要的资源占用。

代码实现：

class Utils1{

public:
    static Utils1* getUtilsInstance()
    {
        return &_utils_instance;
    }
    void print() const{
        std::cout << "print() method" << std::endl;
    }

private:
    Utils1(){}
    // 禁用拷贝构造函数和赋值运算符，确保单例的唯一性
    Utils1(const Utils1&) = delete;
    Utils1& operator=(const Utils1&) = delete;
private:
    static Utils1 _utils_instance;

};
Utils1 Utils1::_utils_instance;

二、双重检查锁定懒汉模式

原理：实例 `_utils_instance` 初始化为 `nullptr`，仅在第一次调用`getUtils2Instance()` 时才创建。使用两个 `if` 检查，只有在实例尚未创建时才进行昂贵的加锁操作，最大限度地减少了锁的开销，提高了多线程环境下的访问效率。

特点：

1.线程安全条件线程安全：必须配合 `std::atomic` / 内存屏障，否则在多线程下存在风险。

2.加载时机延迟加载：。真正需要时才创建实例，节省启动资源。

3.优点：避免了不必要的资源浪费，并且在实例创建后，访问速度快（无需加锁）。

4.缺点：实现复杂，容易出错，需要深入理解 C++ 内存模型。

代码实现：

class Utils2{
public:
    static Utils2 *getUtils2Instance()
    {
        if(_utils_instance == nullptr)
        {
            // 锁在if里面。需使用锁加if双重判断。即当多个线程同时进行到了if里面。
            // 锁在if外面，单线程使用时候比较重
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if(_utils_instance == nullptr)
            {
                _utils_instance = new Utils2();
            }
        }
        return _utils_instance;
    }
private:
    Utils2(){};
    // 禁用拷贝构造函数和赋值运算符，确保单例的唯一性
    Utils2(const Utils2&) = delete;
    Utils2& operator=(const Utils2&) = delete;
private:
    static std::mutex mtx;
    static Utils2* _utils_instance;

};
// 静态成员初始化
std::mutex Utils2::mtx;
Utils2* Utils2::_utils_instance = nullptr; // 初始化为 nullptr

三、局部静态变量懒汉模式 (推荐)

原理：`instance` 是 `getInstance()` 函数内的局部静态变量。C++11 标准保证：如果多线程同时尝试初始化一个局部静态变量，只会有一个线程能够完成初始化。实例的创建被推迟到函数第一次被调用时，同时由编译器确保了线程安全。

特点：

1.线程安全完全线程安全：由 C++ 标准保证，无需手动加锁。

2.加载时机延迟加载：真正需要时才创建实例。

3.优点：简洁优雅线程安全，延迟加载。是现代 C++ 中实现单例模式的最佳实践。

class Utils3{
public:
    static Utils3& getInstance() 
    {
        // C++ 标准保证了局部静态变量的初始化是线程安全的
        static Utils3 instance; 
        return instance;
    }
};