[C/C++] -- 单例模式 - 2. 单例模式的实现

单例模式是一种创建型设计模式，它确保类只有一个实例，并提供全局访问点以访问该实例。

引入单例模式目的：

• 全局访问点： 单例模式提供了一个全局访问点，使得任何地方都可以方便地访问该实例，而不需要通过传递对象的方式。

• 节省资源： 在某些情况下，创建类的实例可能会消耗较多的资源，例如数据库连接、线程池等。通过使用单例模式，可以避免频繁地创建和销毁对象，从而节省资源和提高性能。

• 确保唯一性： 单例模式确保类的实例只有一个，避免了因多次创建实例而导致的数据不一致或状态不同步的问题。

• 控制实例化过程： 单例模式将类的实例化过程集中在一个地方，使得可以更加灵活地控制实例化的时机和方式，例如延迟实例化、懒加载等。

• 提供全局服务： 单例模式常用于提供全局服务或管理全局状态，例如日志记录器、配置管理器、线程池等。

线程安全

在多线程环境中，确保单例模式的线程安全性至关重要。如果不考虑线程安全性，在多个线程同时调用 getInstance() 方法时，可能会导致多个实例被创建，违反了单例模式的原则。

在C++中，可以通过以下几种方式来确保单例模式的线程安全性：

• 使用静态初始化： 在C++11及以后的标准中，静态局部变量的初始化是线程安全的。因此，可以将单例实例声明为一个静态局部变量，并在 getInstance() 方法中返回该变量。这样做可以保证在首次调用 getInstance() 方法时，单例实例会被线程安全地初始化。

• 加锁： 可以使用互斥量（mutex）来实现加锁机制，确保在同一时间只有一个线程可以执行关键代码段。在 getInstance() 方法中，使用互斥量对实例化过程进行加锁，从而确保在多线程环境中只有一个实例被创建。

• 双重检查锁定（Double-Checked Locking）： 双重检查锁定是一种常见的在多线程环境下实现延迟初始化的方法。在 getInstance() 方法中，首先检查实例是否已经被创建，如果尚未创建，则使用互斥量进行加锁，并再次检查实例是否已经被创建。这种方式可以减少在每次调用 getInstance() 方法时都进行加锁的开销。

• 使用原子操作： C++11引入了一系列的原子操作，如 std::atomic 类和相关的原子操作函数，可以在不需要显式加锁的情况下实现线程安全的操作。可以将单例实例声明为原子类型，从而确保对实例的访问是线程安全的。