C++ 单例模式

本文详细介绍了C++中的单例模式,包括UML结构图、实现要点、局部静态变量、懒汉式与饿汉式的区别,以及线程安全和资源释放的处理。通过实例分析了如何保证单例的唯一性和线程安全性,并探讨了资源的自动释放策略。

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作者: 一去、二三里
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单例模式(Singleton Pattern)是设计模式中最简单的形式之一,其目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。

这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

UML 结构图

在这里插入图片描述

要点

单例模式的要点有三个:

  • 单例类有且仅有一个实例
  • 单例类必须自行创建自己的唯一实例
  • 单例类必须给所有其他对象提供这一实例

从具体实现角度来说,可分为以下三点:

  • 提供一个 private 构造函数(防止外部调用而构造类的实例)
  • 提供一个该类的 static private 对象
  • 提供一个 static public 函数,用于创建或获取其本身的静态私有对象(例如:GetInstance())

除此之外,还有一些关键点(需要多加注意

### C++ 单例设计模式的实现与使用 #### 实现线程安全的懒汉式单例模式 为了确保实例仅被创建一次并提供全局访问点,在C++中可以通过静态成员函数来控制类对象的创建过程。下面展示了一种常见的懒加载方式,即当第一次调用 `getInstance` 方法时才初始化该类的对象[^1]。 ```cpp class Singleton { private: static std::unique_ptr<Singleton> instance; // 私有化构造函数防止外部new Singleton() {} public: ~Singleton() {} // 删除拷贝构造和赋值操作符以阻止复制行为 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 获取唯一实例的方法, 使用双重检测锁机制保证多线程环境下的安全性 static Singleton* getInstance() { if (instance.get() == nullptr) { // 第一层判断减少竞争开销 std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); if (!instance) { // 双重检查锁定 instance.reset(new Singleton()); } } return instance.get(); } private: static std::once_flag initFlag; // 初始化标志位 static std::mutex mutex_; // 同步互斥量用于保护临界区 }; std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance(nullptr); std::once_flag Singleton::initFlag; std::mutex Singleton::mutex_; ``` 这种方法不仅实现了延迟加载(Lazy Initialization),还通过双层校验加锁的方式提高了并发性能,适用于高并发场景下资源的竞争管理[^2]。 #### 饿汉式单例模式 如果应用程序启动之初就需要立即获取到这个唯一的实例,则可以采用饿汉式的写法。这种方式非常简单直观,因为实例是在定义的时候就被创建出来的,所以不存在任何同步问题[^3]。 ```cpp class Singleton { private: // 构造器私有化 Singleton() {}; public: // 禁止拷贝 Singleton(Singleton const&) = delete; void operator=(Singleton const&) = delete; // 提供全局访问接口 static Singleton& GetInstance(){ static Singleton instanse; return instanse; } }; // 客户端代码可以直接这样获得单例对象: void someFunction(){ auto &singletonObj = Singleton::GetInstance(); } ``` 此版本利用了局部静态变量特性——它们会在首次执行所在语句之前完成初始化工作,并且整个程序生命周期内只做这一次初始化动作[^4]。 #### 应用场合说明 对于大多数情况而言,推荐优先考虑基于局部静态变量特性的饿汉式方案,除非确实存在明显的按需分配需求或者担心编译期就占用过多内存空间等问题才会转向更复杂的懒加载形式[^5]。
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