单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种设计模式，它确保一个类只有一个实例，并且提供全局访问点来访问该实例。单例模式常用于管理全局状态或资源，比如数据库连接、日志系统等。

单例模式的特点

1. 唯一性：确保类在整个程序的生命周期中只有一个实例。
2. 延迟实例化：通常会在第一次使用时才创建实例，避免不必要的资源消耗。
3. 全局访问点：提供一个静态方法获取唯一实例，方便全局使用。

一、C++ 实现单例模式

下面是 C++ 实现单例模式的例子：

步骤 1: 定义私有的构造函数

确保类的构造函数是私有的，外部无法通过 new 来创建对象。

class Singleton {
private:
    // 私有构造函数，防止外部实例化
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton instance created!" << std::endl;
    }

public:
    // 删除复制构造函数，防止复制对象
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    
    // 删除赋值操作符，防止对象被赋值
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    
    // 静态方法，提供全局访问点获取唯一实例
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // 静态局部变量，保证唯一
        return instance;
    }

    // 普通方法，做一些事情
    void doSomething() {
        std::cout << "Doing something!" << std::endl;
    }
};

步骤 2: 使用单例

int main() {
    // 获取单例实例
    Singleton& s1 = Singleton::getInstance();
    s1.doSomething();

    // 再次获取单例实例，依然是同一个对象
    Singleton& s2 = Singleton::getInstance();
    s2.doSomething();

    return 0;
}

输出结果：

Singleton instance created!
Doing something!
Doing something!

解释

1. 私有构造函数 ：Singleton() 是私有的，因此外部无法直接创建 Singleton 对象，确保了类只有一个实例。
2. 静态方法 getInstance() ：这是获取唯一实例的全局访问点。在第一次调用时，静态局部变量 instance 会被初始化，之后的每次调用都会返回同一个实例。
3. 防止复制：通过删除复制构造函数和赋值操作符，防止创建新的副本。
4. 静态局部变量 ：static Singleton instance; 保证了单例的唯一性，并且只在第一次调用 getInstance() 时进行实例化，之后不会再创建新的对象。

线程安全的实现

上述代码在单线程环境下工作良好，但在多线程环境中可能会有并发问题。为了解决这个问题，C++11 之后引入了静态局部变量初始化的线程安全特性。因此，static Singleton instance; 在 C++11 之后默认是线程安全的。

总结：单例模式通过确保类的构造函数私有化，并提供静态方法获取唯一实例，控制了实例的数量。在 C++ 中，使用静态局部变量和 delete 复制构造等技巧可以很好地实现这一模式。

二、每一步代码的解释：

1. 私有构造函数

private:
Singleton() {
    std::cout << "Singleton instance created!" << std::endl;
}

• 作用 ：单例模式的核心之一。通过将构造函数设置为 private，确保外部代码不能直接创建 Singleton 对象，只能通过类的静态方法 getInstance() 来获取实例。
• 原因 ：如果构造函数是 public 的，外部代码可以随意创建多个实例，违背了单例模式只允许一个实例的原则。

2. 删除复制构造和赋值操作符

// private or public
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

• 作用 ：这两行代码删除了默认的复制构造函数和赋值操作符，防止用户通过复制或赋值来创建多个 Singleton 对象。
• 原因 ：即使构造函数是私有的，用户仍然可能通过 Singleton s2 = s1; 或 s2 = s1; 来复制或赋值对象。这种方式也会违反单例模式的唯一性要求。

private or public?

虽然这两行代码通常放在 private 部分，但将它们声明为 public 也是合理的，并且在某些情况下可能更具可读性。无论它们是放在 private 还是 public 区域，效果都是一样的：阻止用户通过复制构造或赋值操作创建新的 Singleton 实例。

在 public 下声明的好处

1. 更清晰的错误提示 ：当这些操作符被放在 public 部分时，用户试图使用复制构造函数或赋值操作符时，编译器会直接报错并提示这些操作被禁用。如果放在 private 中，编译器可能只会提示这些函数是不可访问的，而不会明确指出它们被删除了。

2. 遵循现代 C++ 的风格 ：在 C++11 及之后，删除函数通常被放在 public 区域，以表明这些操作是显式被禁止的，而不是因为访问权限限制而导致的不可访问。

3. 静态方法 getInstance()

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

• 作用 ：
  • 这是实现单例模式的关键点。getInstance() 是一个静态方法（static 方法），是类级别的方法，不依赖于类的实例，意味着你不需要先创建对象再调用它。它可以直接通过类名访问。比如：

  Singleton::getInstance();

• static Singleton instance; 是静态局部变量。这个变量只在第一次调用 getInstance() 时初始化，之后每次调用都会返回同一个对象。
• 访问静态成员或静态资源：静态方法可以直接访问静态变量（例如在单例模式中使用的静态局部变量）。这使得静态方法可以用于管理某些全局资源，如单例模式中的唯一实例。
• 原因 ：
  • 静态方法能够独立于实例存在，这是它的最大优势。在单例模式中，我们希望全局访问点是一个不依赖对象的类方法，而静态方法正好符合这一要求。
  • static Singleton instance; 是 C++ 实现单例模式的经典方法。它利用静态局部变量的生命周期来保证对象的唯一性。静态局部变量在函数作用域中定义，但只会被初始化一次，并在整个程序运行期间保持有效。

4. 普通方法 doSomething()

void doSomething() {
    std::cout << "Doing something!" << std::endl;
}

• 作用：这是一个普通的成员函数，用来展示单例对象可以调用的功能。
• 原因 ：一旦获取了单例实例，你就可以调用类的其他非静态方法来执行某些操作。在这个例子中，doSomething() 方法就是展示如何使用单例的一个例子。

为什么这么写？

1. 唯一性 ：通过将构造函数设为 private 和删除复制、赋值操作符，确保了外部代码无法随意创建多个实例。
2. 全局访问点 ：静态方法 getInstance() 允许用户在任何地方通过 Singleton::getInstance() 访问唯一实例。这符合单例模式的设计思想。
3. 懒加载 ：使用 static Singleton instance; 实现了懒加载，意味着只有在第一次调用 getInstance() 时，实例才会被创建。这提高了程序的性能，因为在不使用 Singleton 的时候，不会浪费内存。
4. 线程安全 ：在 C++11 及以后的标准中，静态局部变量的初始化是线程安全的，因此即使在多线程环境中，多个线程同时访问 getInstance()，也不会出现多个实例的问题。

通过这些设计，单例模式确保了类只有一个实例，并且为用户提供了一个全局的、方便的访问接口。

三、Instance 很大怎么办

在 C++ 中，static 局部变量（例如 static Singleton instance;）的存储位置取决于系统的内存布局。具体来说，instance 被分配在静态存储区（也叫全局/静态数据区），而不是栈或堆中。

static 局部变量的存储位置

• 静态存储区 ：static 变量无论是在函数内还是类中定义，其生命周期从程序开始到程序结束。这类变量在程序启动时就被分配内存，并在整个程序运行期间都存在。
• 特点 ：
  • 全局生存期 ：即使它是在一个函数中定义的（如 getInstance() 函数内部），static 变量的生命周期从第一次初始化开始，直到程序结束。
  • 唯一初始化：静态局部变量只会在第一次调用时进行初始化，之后每次调用都会返回同一个对象，不会重复创建。

因此，static Singleton instance; 在程序运行时，它的内存会被分配在静态数据区，直到程序结束时才释放。

如果 instance 很大该怎么做？

如果 Singleton 对象非常大，占用了大量内存，放在静态存储区可能不是一个好的选择。这时候，可以将对象的实际内容放到堆上，使用指针或智能指针来管理它。这样可以在需要时创建对象，并且控制其生命周期和内存释放。

使用动态内存分配的方式

修改 getInstance() 函数，将对象动态分配到堆上，通过指针来管理它。这里使用 std::unique_ptr（C++11 引入的智能指针）来保证内存的自动释放。

#include <memory>  // 引入 std::unique_ptr

class Singleton {
private:
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton instance created!" << std::endl;
    }

    // 删除复制构造函数和赋值操作符
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

public:
    // 静态方法返回唯一的实例指针
    static Singleton& getInstance() {
        // 静态智能指针，指向动态分配的 Singleton 对象
        static std::unique_ptr<Singleton> instance(new Singleton());
        return *instance;  // 返回解引用的实例
    }

    // 示例方法
    void doSomething() {
        std::cout << "Doing something!" << std::endl;
    }
};

解释

1. std::unique_ptr<Singleton> instance ：我们将 Singleton 对象动态分配在堆上，并使用 std::unique_ptr 来管理它。unique_ptr 会自动负责对象的内存释放，无需手动调用 delete。

2. static std::unique_ptr<Singleton> instance(new Singleton()); ：静态智能指针只会在第一次调用时分配内存，并且整个程序中只会有一个 Singleton 实例。智能指针会自动在程序结束时释放 Singleton 的内存，避免内存泄漏。

3. 返回解引用的对象 ：*instance 是对智能指针所管理对象的解引用，因此 getInstance() 返回的是 Singleton 实例的引用，而不是指针。

优点

• 动态分配内存：避免在静态存储区中直接分配大对象。对象被动态分配在堆上，且内存使用可以更加灵活。
• 内存安全：通过智能指针管理对象，避免了手动管理内存所带来的风险（如内存泄漏、悬空指针等）。
• 延迟加载 ：Singleton 对象仍然会在第一次使用时才创建，节省资源。

总结

1. 原实现 ：static Singleton instance; 将对象存储在静态存储区中，适合小型或中等大小的对象。
2. 动态内存管理 ：如果对象很大，可以使用 std::unique_ptr 等智能指针，将对象动态分配到堆上，合理管理内存。这种方式使得内存更灵活、安全。

如果担心 instance 占用太多静态存储区的内存，使用动态分配的方案是一种良好的选择。

四、C++11 以前的单例模式

待补

五、补充

待补

六、多单例项目下的单例模板类

待补