120.单例模式（C++设计模式）

一、什么是单例模式

单例模式是一种创建型设计模式，用于确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。

在C++中实现单例模式通常会遵循以下步骤：

私有构造函数：确保单例类的构造函数是私有的，这样外部就不能直接实例化该类。

私有静态实例：创建一个私有静态成员变量，用于存储单例实例。

公共静态方法 ：提供一个公共静态方法（通常命名为 getInstance 或 instance），用于获取单例实例。这个方法负责创建实例（如果尚未创建）并返回实例的引用。

延迟实例化：在公共静态方法中，检查是否已经创建了实例。如果没有，就创建一个实例，并将引用存储在私有静态成员变量中。

线程安全：如果需要在多线程环境中使用单例，确保实例的创建和获取是线程安全的。这通常通过互斥锁（mutex）来实现。

什么是线程安全

线程安全指的是在多线程环境下，程序或者代码可以正确地处理多个线程并发执行的情况，保证数据的一致性和正确性。具体来说，线程安全的代码在多线程并发执行时，不会出现竞态条件和数据不一致等问题。

二、单例模式分类

饿汉式单例模式：

在类加载时就创建单例对象，保证了在任何时候都只有一个实例存在。

优点是简单、线程安全，因为实例在类加载时就被创建，不需要考虑多线程同步的问题。

缺点是可能会造成资源浪费，因为可能会提前创建实例，即使在后续未使用的情况下。

代码实现饿汉模式
cpp 复制代码
#pragma once
#pragma once
#ifndef singleton1_h
#define singleton1_h

#include <iostream>

using namespace std;

class Singleton1
{
private:
	Singleton1() {}

	static Singleton1* p_instance;

public:
	static Singleton1* getInstance()
	{
		return p_instance;
	}

};
Singleton1* Singleton1::p_instance = new Singleton1;

#endif // !singleton_h
这段代码实现了饿汉式单例模式，让我们来看看其主要特点和功能：

Singleton1 类是单例模式的主体，其构造函数被声明为私有，这样外部就无法直接创建 Singleton1 的实例，只能通过静态成员函数 getInstance 来获取唯一的实例。

静态成员变量 p_instance 被声明为私有，并且在类外部进行了初始化，它在程序运行期间只会被创建一次，因此实现了饿汉式的单例模式。

getInstance 函数是获取 Singleton1 实例的静态成员函数，它直接返回已经创建好的 p_instance。

由于饿汉式单例模式在程序启动时就会创建好实例，因此在多线程环境下不存在线程安全问题，无需使用互斥锁进行同步控制。

总的来说，饿汉式单例模式的实现简单直接，但它的缺点是在程序启动时就会创建实例，如果实例过于庞大或者需要依赖其他资源，可能会造成资源浪费或启动延迟。

懒汉式单例模式：

在第一次使用时才创建单例对象，延迟了对象的实例化，节省了资源。

优点是节约了资源，只有在需要时才会创建实例。

缺点是在多线程环境下需要考虑线程安全的问题，需要加锁保护实例的创建过程，可能引入性能开销。

代码实现懒汉模式
cpp 复制代码
#pragma once
#ifndef singleton_h
#define singleton_h

#include <iostream>
#include <mutex>

using namespace std;

class Singleton 
{
private:
	Singleton(){}

	static Singleton* p_instance;
	static mutex m_mutex;

public:
	//第一个调用getInstance,new singletonl
	//第二个调用getInstance，

	//缺陷，线程不安全，多个线程，上锁
	static Singleton* getInstance() 
	{
		if (p_instance == nullptr)
		{
			lock_guard<mutex> lk(m_mutex);
			if (p_instance == nullptr)
			{
				p_instance = new Singleton;//这一行会被多次执行
			}
		}
		return p_instance;
	}

};

Singleton* Singleton::p_instance=nullptr;
mutex Singleton::m_mutex;

#endif // !singleton_h
这是一个典型的懒汉式单例模式的实现。让我们来分析一下代码的结构和功能：

Singleton 类是单例模式的主体，它的构造函数被声明为私有，这样外部就无法直接创建 Singleton 的实例，只能通过静态成员函数 getInstance 来获取唯一的实例。

静态成员变量 p_instance 用于保存 Singleton 的唯一实例，在初始状态下为 nullptr。

静态成员变量 m_mutex 是用于多线程环境下的互斥锁，确保在多线程环境下对单例对象的创建过程进行同步控制。

getInstance 函数是获取 Singleton 实例的静态成员函数。在第一次调用时，它会创建一个 Singleton 实例并返回，后续的调用则直接返回已经创建好的实例。

在 getInstance 函数内部，首先检查 p_instance 是否为 nullptr，如果是则说明还没有创建实例，需要加锁创建一个新的实例；如果不是 nullptr 则直接返回已有的实例。

加锁操作使用了 std::lock_guard<std::mutex>，它是 C++11 提供的一种方便的锁管理机制，能够自动释放锁，避免了手动管理锁的繁琐。

创建实例时，使用了动态内存分配 new，并将指针赋给 p_instance，从而保证了只有一个实例存在。

在实例创建完成后，释放了互斥锁，并返回创建好的实例指针。

总的来说，这段代码通过加锁的方式解决了多线程环境下的线程安全问题，保证了在任何时候都只能有一个 Singleton 实例存在，是一个简单而有效的单例模式实现。