C++] 单例模式：详尽版
文章目录
- 什么是单例模式
- 如何实现单例模式
- 饿汉模式和懒汉模式
- 饿汉模式
- 懒汉模式
- 饿汉模式和懒汉模式的优缺点
- 1.饿汉模式的优缺点
- 2.懒汉模式的优缺点
什么是单例模式
C++单例模式是一种非常重要的设计模式，它只允许一个类实例化出一个对象来，并提供一个全局访问点来获取该实例。 这个模式的主要目的是控制某个类的实例化过程，以避免产生多个实例对象而导致的资源消耗或数据不一致等问题。
如何实现单例模式
实现一个单例模式的类，要做到以下几点：
-
私有化构造函数，防止在外部通过构造函数直接创建出对象。 -
禁用拷贝构造和赋值运算符，防止在外部通过拷贝构造和赋值直接创建出对象。 -
定义一个静态指针或者引用，用于指向类的唯一实例。 -
提供一个静态公有成员函数，于返回类的唯一实例的指针或引用。这个函数通常被称为getInstance或类似的名称。「调用非静态成员函数需要一个对象，所以我们需要把该成员函数设置为私有」。
如下所示就是一个单例模式下的类
#include <iostream>
#include <memory>
class Singleton {
public:
// 静态公有成员函数，返回类的唯一实例
static Singleton& getInstance() {
// 静态局部变量在第一次调用时初始化，且只初始化一次
return only;
}
// 示例成员函数
void doSomething() {
std::cout << "Doing something in Singleton!" << std::endl;
}
private:
// 私有化构造函数，防止外部直接创建实例
Singleton() {};
// 私有化析构函数
~Singleton() {};
// 禁止拷贝构造函数和赋值运算符
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
//定义一个静态指针或者引用
static Singleton only;
};
Singleton Singleton::only;
int main() {
// 获取单例实例并调用成员函数
Singleton& singleton = Singleton::getInstance();
singleton.doSomething();
// 尝试再次获取单例实例（应为同一个实例）
Singleton& anotherSingleton = Singleton::getInstance();
anotherSingleton.doSomething();
return 0;
}
单例模式的设计思路有很多，但是我们都需要满足上面的几点。
饿汉模式和懒汉模式
在单例模式下，又细分为经典的饿汉模式和懒汉模式，我们一起来了解一下：
饿汉模式
什么是饿汉模式？
饿汉模式，这个名词很形象，大家可以想象为很“饥饿”，实例在类加载的时候就被创建，所以一开始还没有进入到main函数中就要创建实例。
如何实现饿汉模式？
我们刚刚的代码实际上就是饿汉模式的一种。我们需要定义一个类的静态成员变量【如刚刚代码中的static Singleton only】。
代码如下：
#include <iostream>
#include <memory>
class Singleton {
public:
// 静态公有成员函数，返回类的唯一实例
static Singleton& getInstance() {
// 静态局部变量在第一次调用时初始化，且只初始化一次
return only;
}
// 示例成员函数
void doSomething() {
std::cout << "Doing something in Singleton!" << std::endl;
}
private:
// 私有化构造函数，防止外部直接创建实例
Singleton() {};
// 私有化析构函数
~Singleton() {};
// 禁止拷贝构造函数和赋值运算符
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
//定义一个静态指针或者引用
static Singleton only;
};
Singleton Singleton::only;
int main() {
// 获取单例实例并调用成员函数
Singleton& singleton = Singleton::getInstance();
singleton.doSomething();
// 尝试再次获取单例实例（应为同一个实例）
Singleton& anotherSingleton = Singleton::getInstance();
anotherSingleton.doSomething();
return 0;
}
懒汉模式
什么是懒汉模式？
懒汉模式，顾名思义在懒.指的是类对象在使用时才会被创建。
如何实现懒汉模式
我们将饿汉模式稍加改造即可：
方法1：
代码：这是一种线程安全的懒汉模式
单例模式 懒汉版
#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
using namespace std;
mutex mtx;
class Singleton1
{
public:
static Singleton1* GetOnly()
{
if (only == nullptr)
{
unique_lock<mutex>lock(mutex);
if (only == nullptr)
{
only = new Singleton1();
}
}
return only;
}
void print()
{
cout << "hello world" << endl;
}
private:
Singleton1() {};
~Singleton1() {};
Singleton1(const Singleton1&) = delete;
Singleton1& operator=(const Singleton1&) = delete;
static Singleton1* only;
};
Singleton1* Singleton1::only=nullptr;
int main()
{
Singleton1* t1 = Singleton1::GetOnly();
t1->print();
}
有没有第二种设计懒汉模式的方案呢？有的；
方案二：
#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
using namespace std;
mutex mtx;
class Singleton1
{
public:
static Singleton1* GetOnly()
{
static Singleton1 install;
return &install;
}
void print()
{
cout << "hello world" << endl;
}
private:
Singleton1() {};
~Singleton1() {};
Singleton1(const Singleton1&) = delete;
Singleton1& operator=(const Singleton1&) = delete;
static Singleton1* only;
};
Singleton1* Singleton1::only=nullptr;
int main()
{
Singleton1* t1 = Singleton1::GetOnly();
t1->print();
}
改动的地方如下：
但是这种方案是不是线程安全的呢？
是的，原因如下：
1.静态局部变量在程序启动阶段就已经被分配内存空间了，但是它的的初始化却是在第一次运行到它的时候，如果我们不调用GetOnly()方法，这个静态局部变量是不会被初始化的。
2.在多线程的情况下，可能会出现对个线程同时访问GetOnly()的情况，但是静态局部变量的初始化，在汇编指令上，已经自动添加了线程互斥指令了，所以总的来说是安全的。
饿汉模式和懒汉模式的优缺点
1.饿汉模式的优缺点
饿汉模式的优点：
线程安全：在类加载的时候就创建实例，不存在多线程环境下的线程安全问题（还没进入主函数就创建完实例了，所以不用担心线程安全问题）。
饿汉模式的缺点：
可能会造成资源浪费：在程序运行过程中始终存在实例，可能会占用一定的资源。
不支持延迟加载：无法实现延迟加载的特性。
2.懒汉模式的优缺点
懒汉模式的优点：
延迟加载：在第一次调用时才创建实例，节省资源。
节约内存：只有在需要时才创建实例，避免资源浪费。
懒汉模式的缺点：
线程安全性问题：在多线程环境下，需要额外的同步措施来保证线程安全。
可能存在性能问题：在第一次调用时需要进行实例化，可能会影响程序性能。