深入理解单例模式：如何确保一个类只有一个实例？

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单例模式

前言
单例模式
- 饿汉模式
- 懒汉模式

前言

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的设计模式，用于确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。虽然在表面上看起来很简单，但深入理解单例模式可以帮助我们更好地应用它，避免潜在的问题。

在本文中，我们将深入探讨单例模式的核心思想、实现方式和使用场景。首先，我们将介绍单例模式的概念和作用，以及为什么要使用单例模式。其次，我们将讨论几种常见的单例模式实现方式，包括懒汉模式、饿汉模式、双重检查锁定模式和静态内部类模式。我们将比较它们的优缺点，以及在多线程环境下如何确保线程安全。

通过深入理解单例模式，我们可以更好地应用它来解决实际的问题。无论是在多线程环境下确保只有一个实例，还是在需要全局访问点的情况下，单例模式都是一个有力的工具。同时，我们也要注意单例模式可能带来的一些副作用，例如对代码的耦合性增加和单元测试的困难。

在本文中，我们将通过详细的解释、示例代码和实际案例，帮助读者深入理解单例模式，并能够在实践中灵活应用。无论是初学者还是有经验的开发者，都可以从本文中获得对单例模式的全面认识和实践指导。

深入理解单例模式，让我们更好地应用它，提高代码的可维护性和可扩展性。

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常见的设计模式，用于确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。

在单例模式中，类的构造函数被私有化，确保外部无法直接创建对象实例。同时，类内部定义一个静态成员变量用于保存唯一实例，并提供一个公共的静态方法用于获取该实例。

以下是一个简单的单例模式的示例代码：

java 复制代码

java
public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有化构造函数
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

在上述代码中，Singleton 类的构造函数被私有化，确保外部无法直接创建对象实例。通过定义一个静态的 instance 变量，在第一次调用 getInstance() 方法时进行实例化，实现了懒加载的效果。之后的调用都直接返回已经创建的实例。

单例模式的优点是实现简单，可以确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点，方便其他对象直接使用该实例。此外，由于只有一个实例存在，可以节省资源。

然而，单例模式也有一些缺点。例如，在多线程环境下，需要考虑并发访问的线程安全性，以避免破坏单例的特性。另外，由于单例对象存在全局访问点，可能会导致代码的耦合性增加，不利于单元测试和模块化开发。

在使用单例模式时，需要根据具体的需求和场景来决定是否使用该模式，并考虑线程安全的实现方式。

饿汉模式

饿汉模式（Eager Initialization）是一种常见的单例设计模式，在该模式下，单例对象在类加载时就被创建，并在整个应用程序生命周期中保持唯一实例。

实现饿汉模式的关键是将构造函数私有化，确保外部无法直接创建对象实例。同时，类内部定义一个静态成员变量用于保存唯一实例，并在类加载时进行初始化。最后，提供一个公共的静态方法用于获取该实例。

以下是一个简单的饿汉模式的示例代码：

java 复制代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
        // 私有化构造函数
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

在上述代码中，Singleton 类的构造函数被私有化，确保外部无法直接创建对象实例。同时，通过定义一个静态的 instance 变量，并在类加载时进行初始化，实现了在整个应用程序中只有一个唯一实例的效果。外部通过调用 getInstance() 方法获取该实例。

cpp 复制代码

#include<mutex>
#include<iostream>
#include<atomic>
using namespace std;

/*饿汉模式
class singleton {
public:
//	singleton() = delete;
	singleton(const singleton& s) = delete;
	singleton& operator=(const singleton& s) = delete;
	static singleton* getstatic() {
		return st;
	}
	void print() {
		cout << "12321" << endl;
	}
private:
	singleton() = default;
//	singleton(const singleton& s) = default;
	static singleton* st;

};
singleton* singleton::st = new singleton;
int main()
{
	singleton* single = singleton::getstatic();
	single->print();

	return 0;

使用饿汉模式的优点是实现简单，线程安全，因为在类加载时就已经创建了实例。但也有一些缺点，例如如果单例对象比较复杂，初始化时间较长，会导致程序启动时耗费较多时间。此外，如果该单例对象在整个应用程序生命周期中没有被使用，也会造成资源的浪费。

因此，在选择设计模式时，需要根据具体的需求和场景来决定是否使用饿汉模式。

懒汉模式

懒汉模式（Lazy Initialization）是一种常见的单例设计模式，与饿汉模式相比，它延迟了单例对象的创建时间，即在第一次使用时才进行实例化。

实现懒汉模式的关键是将构造函数私有化，确保外部无法直接创建对象实例。同时，类内部定义一个静态成员变量用于保存唯一实例，并提供一个公共的静态方法用于获取该实例。在获取实例的方法中，会先判断实例是否已经被创建，如果没有则进行实例化。

以下是一个简单的懒汉模式的示例代码：

java 复制代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有化构造函数
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

懒汉模式的优点是实现简单，只有在需要使用单例对象时才进行实例化，可以节省资源。但也存在一些问题，例如在多线程环境下，如果多个线程同时调用 getInstance() 方法，并且实例尚未被创建，可能会导致创建多个实例，破坏了单例的特性。因此，在懒汉模式中需要考虑线程安全的实现方式，例如使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）或者静态内部类。

//懒汉模式

cpp 复制代码

class singleton {
public:
	//	singleton() = delete;
	singleton(const singleton& s) = delete;
	singleton& operator=(const singleton& s) = delete;
	static singleton* getstatic() {
		
		if (st == nullptr) {
			st = new singleton;
		}
		return st;
	}

	//利用互斥锁解决多线程问题（有问题）
	static singleton* getstatic() {
		if (st == nullptr) {
			m_mutex.lock();
			if (st == nullptr) {

				st = new singleton;
			}
			m_mutex.unlock();
		}
		
		return st;
	}

	//利用原子变量解决底层问题  
		static singleton* getstatic() {
			singleton* st = ato.load();
			if (st == nullptr) {
			m_mutex.lock();
			st = ato.load();
			if (st == nullptr) {
				st = new singleton;
				ato.store(st);
			}
			m_mutex.unlock();
		}
		return st;
	}
		//或者利用·局部静态对象解决多线程问题

	void print() {
	cout << "12321" << endl;
	}
private:
	singleton() = default;
	//	singleton(const singleton& s) = default;
	static singleton* st;

	static mutex m_mutex;
	static atomic<singleton*>  ato;

};
singleton* singleton::st = nullptr;
mutex singleton::m_mutex;
atomic<singleton*> singleton::ato;

int main()
{
	singleton* single = singleton::getstatic();
	single->print();

	return 0;
}