C++ 单例模式 - 技术栈

1.饿汉式

使用饿汉模式实现单例是十分简单的，并且有效避免了线程安全问题，因为将该单例对象定义为static变量，程序启动即将其构造完成了。代码实现：

cpp 复制代码

#include <iostream>

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例的静态函数
    static Singleton* GetInstance() {
        return singleton_;
    }

    // 销毁单例实例的静态函数
    static void DestroyInstance() {
        if (singleton_ != nullptr) {
            delete singleton_;
            singleton_ = nullptr; // 置空指针，防止悬挂指针
        }
    }

private:
    // 防止外部构造实例。
    Singleton() = default;

    // 防止拷贝和赋值构造，将其声明为删除函数，确保不可用。
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    Singleton(const Singleton& singleton2) = delete;

private:
    static Singleton* singleton_; // 单例实例的指针
};

// 类外初始化静态成员变量为单例实例
Singleton* Singleton::singleton_ = new Singleton;

int main() {
    // 函数内获取实例
    Singleton* s1 = Singleton::GetInstance(); // 获取单例实例
    std::cout << "s1 的地址：" << s1 << std::endl;

    Singleton* s2 = Singleton::GetInstance(); // 再次获取单例实例，应与 s1 相同
    std::cout << "s2 的地址：" << s2 << std::endl;

    Singleton::DestroyInstance(); // 销毁单例实例

    return 0;
}

2.懒汉式

饿汉方式不论是否需要使用该对象都将其定义出来，可能浪费了内存，或者减慢了程序的启动速度。所以使用懒汉模式进行优化，懒汉模式即延迟构造对象，在第一次使用该对象的时候才进行new该对象。

而懒汉模式会存在线程安全问题，最出名的解决方案就是Double-Checked Locking Pattern (DCLP)双重检查锁。使用两次判断来解决线程安全问题并且提高效率。代码实现：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例的静态函数
    static Singleton* GetInstance() {
        if (instance_ == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); // 使用互斥锁确保线程安全
            if (instance_ == nullptr) {
                instance_ = new Singleton; // 创建单例实例
            }
        }
        return instance_;
    }

    // 析构函数，默认析构即可，无需手动删除实例。
    ~Singleton() = default;

    // 销毁单例实例的函数
    void Destroy() {
        if (instance_ != nullptr) {
            delete instance_; // 删除实例
            instance_ = nullptr; // 置空指针，防止悬挂指针
        }
    }

    // 打印单例实例的地址
    void PrintAddress() const {
        std::cout << this << std::endl;
    }

private:
    // 防止外部构造实例。
    Singleton() = default;

    // 防止拷贝和赋值构造，将其声明为删除函数，确保不可用。
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    static Singleton* instance_; // 单例实例的指针
    static std::mutex mutex_; // 互斥锁，用于线程安全的单例创建
};

Singleton* Singleton::instance_ = nullptr; // 初始化静态成员变量为nullptr
std::mutex Singleton::mutex_; // 初始化静态成员变量为互斥锁

int main() {
    Singleton* s1 = Singleton::GetInstance(); // 获取单例实例
    std::cout << "s1 的地址：";
    s1->PrintAddress(); // 打印实例地址

    Singleton* s2 = Singleton::GetInstance(); // 再次获取单例实例，应与 s1 相同
    std::cout << "s2 的地址：";
    s2->PrintAddress(); // 打印实例地址

    // 注意：不需要手动销毁单例实例，由析构函数自动处理

    return 0;
}

3.懒汉式优化

上述代码有一个问题，当程序使用完该单例，需要手动去调用Destroy()来释放该单例管理的资源。如果不去手动释放管理的资源（例如加载的文件句柄等），虽然程序结束会释放这个单例对象的内存，但是并没有调用其析构函数去关闭这些管理的资源句柄等。解决办法就是将该管理的对象用智能指针管理。代码如下：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例的静态函数，返回引用
    static Singleton& GetInstance() {
        if (!instance_) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); // 使用互斥锁确保线程安全
            if (!instance_) {
                instance_.reset(new Singleton); // 创建单例实例的智能指针
            }
        }
        return *instance_; // 返回单例实例的引用
    }

    // 析构函数，默认析构即可，无需手动删除实例。
    ~Singleton() = default;

    // 打印单例实例的地址
    void PrintAddress() const {
        std::cout << this << std::endl;
    }

private:
    // 防止外部构造实例。
    Singleton() = default;

    // 防止拷贝和赋值构造，将其声明为删除函数，确保不可用。
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    static std::unique_ptr<Singleton> instance_; // 单例实例的智能指针
    static std::mutex mutex_; // 互斥锁，用于线程安全的单例创建
};

std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance_; // 初始化静态成员变量为 nullptr
std::mutex Singleton::mutex_; // 初始化静态成员变量为互斥锁

int main() {
    Singleton& s1 = Singleton::GetInstance(); // 获取单例实例的引用
    std::cout << "s1 的地址：";
    s1.PrintAddress(); // 打印实例地址

    Singleton& s2 = Singleton::GetInstance(); // 再次获取单例实例，应与 s1 相同
    std::cout << "s2 的地址：";
    s2.PrintAddress(); // 打印实例地址

    // 注意：不需要手动销毁单例实例，由析构函数自动处理

    return 0;
}

4.线程安全问题

cpp 复制代码

if (instance_ == nullptr) { \\ 语句1
　　std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
　　if (instance_ == nullptr) {
　　　　instance_ = new Singleton; \\ 语句2
　　}
}

线程安全问题产生的原因是多个线程同时读或写同一个变量时，会产生问题。

如上代码，对于语句2是一个写操作，我们用mutex来保护instance_这个变量。但是语句1是一个读操作，if (instance_ == nullptr)，这个语句是用来读取instance_这个变量，而这个读操作是没有锁的。所以在多线程情况下，这种写法明显存在线程安全问题。

《C++ and the Perils of Double-Checked Locking》这篇文章中提到：

cpp 复制代码

instance_ = new Singleton;

这条语句实际上做了三件事，第一件事申请一块内存，第二件事调用构造函数，第三件是将该内存地址赋给instance_。

1申请内存

2调用构造

3赋值地址

132 则对于b判断 ins 不为空，直接构造，出问题

但是不同的编译器表现是不一样的。可能先将该内存地址赋给instance_，然后再调用构造函数。这是线程A恰好申请完成内存，并且将内存地址赋给instance_，但是还没调用构造函数的时候。线程B执行到语句1，判断instance_此时不为空，则返回该变量，然后调用该对象的函数，但是该对象还没有进行构造。

5.局部静态变量

延迟初始化: 局部静态变量只有在第一次访问该函数时才会被初始化。这意味着单例对象只有在需要的时候才会被创建，而不是在程序启动时就创建，从而减小了初始化开销。
线程安全 : C++11规定，在多线程环境下，局部静态变量的初始化是线程安全的。这意味着多个线程可以同时访问 GetInstance 函数，而不会导致竞态条件或资源冲突。

cpp 复制代码

#include <iostream>

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例的静态函数，返回引用
    static Singleton& GetInstance() {
        static Singleton instance; // 使用局部静态变量，确保线程安全的单例创建
        return instance; // 返回单例实例的引用
    }

    // 析构函数，默认析构即可，无需手动删除实例。
    ~Singleton() = default;

private:
    // 防止外部构造实例。
    Singleton() = default;

    // 防止拷贝和赋值构造，将其声明为删除函数，确保不可用。
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

int main() {
    Singleton& s1 = Singleton::GetInstance(); // 获取单例实例的引用
    std::cout << "s1 的地址：" << &s1 << std::endl;

    Singleton& s2 = Singleton::GetInstance(); // 再次获取单例实例，应与 s1 相同
    std::cout << "s2 的地址：" << &s2 << std::endl;

    // 注意：不需要手动销毁单例实例，由析构函数自动处理

    return 0;
}

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

class Singleton {

public:
	static Singleton& GetInstance() {
		static Singleton instance;
		return instance;
	}

	// 实现一个打印实例地址的函数
	void print_s() {
		cout << "地址为" << this << endl;
	}
private:
	Singleton() = default;
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

};


int main() {

	Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();
	s1.print_s();
}