单例模式 c++ - 技术栈

现实世界中的例子

一个国家在同一时间内只能有一位总统。每当需要履行职责时，必须让同一位总统采取行动。这里的总统就是一个单例（Singleton）。

用简单的话解释

单例模式确保一个特定的类只能被实例化一次。

维基百科的定义

在软件工程中，单例模式是一种软件设计模式，它限制一个类只能有一个实例。这在需要一个对象来协调系统中的操作时非常有用。

单例模式的考量

单例模式实际上被认为是一种反模式（Anti-Pattern），过度使用应该避免。它并非必然不好，可能有一些有效的应用场景，但应谨慎使用，因为它会在应用程序中引入全局状态，一个地方的更改可能会影响其他区域，使调试变得相当困难。另一个不好的地方是它会使代码紧密耦合，并且模拟（Mocking）单例可能会很困难。

编程示例

要创建一个单例，需要将构造函数设为私有，禁用克隆，禁止扩展，并创建一个静态变量来存储实例：

以下是一个使用线程安全的懒汉式单例模式的示例代码：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
public:
    // 删除拷贝构造函数和赋值运算符
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    // 提供一个静态的全局访问点
    static Singleton& getInstance() {
        std::call_once(initFlag, []() {
            instance.reset(new Singleton);
        });
        return *instance;
    }

    void printMessage() {
        std::cout << "Hello, Singleton!" << std::endl;
    }

private:
    // 私有化构造函数和析构函数
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton Constructor" << std::endl;
    }

    ~Singleton() {
        std::cout << "Singleton Destructor" << std::endl;
    }

    static std::unique_ptr<Singleton> instance;
    static std::once_flag initFlag;
};

// 初始化静态成员变量
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::initFlag;

int main() {
    Singleton& s1 = Singleton::getInstance();
    s1.printMessage();

    Singleton& s2 = Singleton::getInstance();
    s2.printMessage();

    return 0;
}

代码解释：

删除拷贝构造函数和赋值运算符：
- Singleton(const Singleton&) = delete;
- Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
静态的全局访问点：
- static Singleton& getInstance() 使用std::call_once确保Singleton的实例只被初始化一次，这样可以保证线程安全。
构造函数和析构函数私有化：
- 保证只能通过getInstance函数来创建和销毁对象。
静态成员变量：
- 使用std::unique_ptr来管理单例的生命周期。
- std::once_flag用于确保初始化只执行一次。
主函数：
- 通过Singleton::getInstance()获取单例实例并调用其方法。

这个实现方式利用了C++11的新特性，如std::unique_ptr和std::call_once，确保了单例模式的线程安全和高效性。

以下是一个使用static关键字实现的单例模式的C++代码。这种实现被称为"懒汉式"单例模式，利用了C++中的静态局部变量的特性，确保线程安全并延迟初始化：

cpp 复制代码

#include <iostream>

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例的静态方法
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // 局部静态变量，只在第一次调用时初始化
        return instance;
    }

    // 公共方法示例
    void printMessage() {
        std::cout << "Hello, Singleton!" << std::endl;
    }

private:
    // 构造函数私有化
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton Constructor" << std::endl;
    }

    // 禁用拷贝构造函数和赋值运算符
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

int main() {
    Singleton& s1 = Singleton::getInstance();
    s1.printMessage();

    Singleton& s2 = Singleton::getInstance();
    s2.printMessage();

    return 0;
}

代码解释：

局部静态变量：

static Singleton instance; 该变量是函数内的静态变量，C++标准确保它只会在第一次调用时被初始化，并且之后所有对getInstance()的调用都会返回同一个实例。

线程安全：

在C++11及其之后，静态局部变量的初始化是线程安全的，因此这种实现方式可以安全地在多线程环境中使用。

私有化构造函数：

这确保了外部无法直接创建Singleton对象，必须通过getInstance()来获取实例。

禁止拷贝与赋值：

delete了拷贝构造函数和赋值运算符，防止通过拷贝或赋值生成多个实例。

调用方式：

通过Singleton::getInstance()获取单例的实例。