单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，它保证一个类在整个应用程序中仅有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。这种模式常用于那些需要频繁创建且消耗资源较多的对象，或者需要控制对共享资源访问的场景，比如数据库连接池、线程池、配置管理器等。
特点
- 唯一性：确保一个类只有一个实例。
- 全局访问：提供一个全局访问点，让其他对象可以容易地访问到这个实例。
- 延迟初始化：通常直到第一次使用时才创建实例，即所谓的懒加载，以节省资源。
实现要点
- 私有构造函数：防止外部直接创建实例。
- 静态私有实例变量：存储唯一实例。
- 公有的静态访问方法：提供获取唯一实例的方法。
在C++中实现单例模式，可以采用多种方式，这里我将展示几种常见的实现方法，包括饿汉式、懒汉式（含双重检查锁定）、以及静态内部类方式（C++中没有直接的静态内部类，但可以通过命名空间或者嵌套类模拟）。请注意，C++11及以后版本提供了更强大的线程支持，因此在实现时可以利用原子操作等现代C++特性来确保线程安全性。
- 饿汉式
饿汉式在类加载时就完成了初始化，线程安全且简单直接，但可能会提前占用资源。
class Singleton {
public:
static Singleton& getInstance() {
return instance;
}
private:
Singleton() {} // 私有构造函数
~Singleton() {} // 私有析构函数防止外部delete
Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止拷贝构造
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 禁止赋值运算符
static Singleton instance; // 静态实例
};
// 初始化静态成员
Singleton Singleton::instance;
- 懒汉式 + 双重检查锁定
懒汉式在首次使用时才初始化实例，双重检查锁定进一步优化了并发性能。
#include <mutex>
class Singleton {
public:
static Singleton& getInstance() {
if (!instance_) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
if (!instance_) {
instance_ = new Singleton();
}
}
return *instance_;
}
private:
Singleton() {} // 私有构造函数
~Singleton() {} // 私有析构函数
Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止拷贝构造
Singleton& operator=(const Singleton&)赋值运算符
static Singleton = delete; // 禁止* instance_; // 静态指针实例
static std::mutex mutex_; // 互斥锁
};
// 初始化静态成员
Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;
- 静态局部变量方式（模拟静态内部类）
C++没有静态内部类的概念，但可以通过命名空间或者嵌套类加静态局部变量的方式模拟实现。
class Singleton {
public:
static Singleton& getInstance() {
return Nested::instance;
}
private:
Singleton() {} // 私有构造函数
~Singleton() {} // 私有析构函数
Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止拷贝构造
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 禁止赋值运算符
class Nested {
public:
static Singleton instance;
};
friend class Nested;
};
// 静态局部变量在第一次使用时初始化，且线程安全（C++11标准保证）
Singleton Singleton::Nested::instance;
以上展示了C++中实现单例模式的几种方式，每种方式都有其适用场景和优缺点，开发者应根据实际需求选择最合适的实现。
