C++中的单例模式（Singleton）全面讲解与实际案例

什么是单例模式？

单例模式（Singleton）是一种创建型设计模式，旨在确保某个类在程序运行期间只有一个实例，并且提供一个全局访问点来使用该实例。这种模式在需要全局管理或共享资源的场景下非常有用。

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单例模式的特点

1. 唯一性：整个程序中，类的实例唯一存在。
2. 全局访问点：可以通过一个静态方法访问该实例，便于全局调用。
3. 延迟初始化：实例仅在第一次使用时创建，节省资源。

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适用场景

单例模式适用于以下场景：

1. 配置管理器：如读取和管理全局配置（数据库连接信息、文件路径等）。
2. 日志记录器：用于记录日志，确保所有模块共享同一个日志实例。
3. 线程池：全局统一管理线程的分配与回收。
4. 硬件访问：如打印机驱动管理器，确保访问同一个硬件实例。

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传统实现与问题

传统单例模式通常通过静态变量和手动加锁来实现。虽然可以保证实例唯一性，但这种方式在多线程环境下容易出现问题，需要额外的同步操作。

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() {}

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

这种实现的主要问题是：

1. 多线程不安全：多个线程可能同时创建实例。
2. 手动管理复杂：需要额外的锁机制来保证线程安全。

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改进的现代实现

自 C++11 起，语言提供了更便捷的工具来实现单例模式，推荐使用静态局部变量来创建线程安全的单例。

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实际案例：日志记录器

以下是一个实际的日志记录器实现，通过单例模式确保全局唯一性，并实现简单的日志记录功能。

代码实现

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <mutex>
#include <string>

// 日志记录器类：单例模式实现
class Logger {
public:
    // 获取日志记录器的唯一实例
    static Logger& getInstance() {
        static Logger instance; // 静态局部变量，保证线程安全
        return instance;
    }

    // 禁止拷贝构造和赋值操作
    Logger(const Logger&) = delete;
    Logger& operator=(const Logger&) = delete;

    // 写日志方法
    void log(const std::string& message) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(logMutex); // 确保线程安全
        logFile << message << std::endl;
        std::cout << "日志已记录：" << message << std::endl; // 输出到控制台
    }

private:
    std::ofstream logFile;  // 日志文件
    std::mutex logMutex;    // 用于多线程安全的互斥锁

    // 私有构造函数
    Logger() {
        logFile.open("application.log", std::ios::app); // 追加模式打开日志文件
        if (!logFile.is_open()) {
            std::cerr << "无法打开日志文件！" << std::endl;
        } else {
            std::cout << "日志记录器初始化成功。" << std::endl;
        }
    }

    // 私有析构函数
    ~Logger() {
        if (logFile.is_open()) {
            logFile.close();
        }
    }
};

// 模拟多线程写日志
#include <thread>

void simulateLogging(const std::string& threadName) {
    Logger& logger = Logger::getInstance();
    for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
        logger.log(threadName + " - 日志消息 " + std::to_string(i));
    }
}

int main() {
    // 主线程写日志
    Logger& logger = Logger::getInstance();
    logger.log("主线程开始运行...");

    // 创建多个线程模拟并发写日志
    std::thread thread1(simulateLogging, "线程1");
    std::thread thread2(simulateLogging, "线程2");

    // 等待线程完成
    thread1.join();
    thread2.join();

    // 主线程结束
    logger.log("主线程运行结束。");

    return 0;
}

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代码解析

主要功能

1. 单例模式的实现

   • 通过静态局部变量 static Logger instance，确保全局只有一个日志记录器实例。
   • 禁止拷贝构造和赋值操作，防止生成额外实例。

2. 线程安全性

   • 使用 std::mutex 和 std::lock_guard，保证多线程同时写日志时不会出现竞争条件。

3. 日志输出

   • 日志写入文件 application.log，并实时输出到控制台，方便调试。

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运行结果

控制台输出

日志记录器初始化成功。
日志已记录：主线程开始运行...
日志已记录：线程1 - 日志消息 1
日志已记录：线程2 - 日志消息 1
日志已记录：线程1 - 日志消息 2
日志已记录：线程2 - 日志消息 2
日志已记录：线程1 - 日志消息 3
日志已记录：线程2 - 日志消息 3
日志已记录：线程1 - 日志消息 4
日志已记录：线程2 - 日志消息 4
日志已记录：线程1 - 日志消息 5
日志已记录：线程2 - 日志消息 5
日志已记录：主线程运行结束。

日志文件内容（application.log）

主线程开始运行...
线程1 - 日志消息 1
线程2 - 日志消息 1
线程1 - 日志消息 2
线程2 - 日志消息 2
线程1 - 日志消息 3
线程2 - 日志消息 3
线程1 - 日志消息 4
线程2 - 日志消息 4
线程1 - 日志消息 5
线程2 - 日志消息 5
主线程运行结束。

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优缺点分析

优点

1. 全局唯一性 ：整个程序中，日志记录器通过 Logger::getInstance() 方法访问，确保只有一个实例。
2. 线程安全 ：通过 std::mutex 确保日志操作不会因多线程引发数据竞争。
3. 模块化与扩展性：可以轻松扩展日志记录器功能，如添加日志级别（INFO、DEBUG、ERROR）、日志格式化等。

缺点

1. 隐藏依赖性：单例通过全局访问点可能增加模块之间的耦合性。
2. 不易测试：单例模式的全局状态共享可能影响单元测试的独立性。

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总结

日志记录器是单例模式的经典应用场景。通过单例模式，可以轻松实现全局统一管理、线程安全和资源共享。在多线程程序中，使用 C++11 的静态局部变量和互斥锁，可以确保日志记录器的安全性和稳定性。此代码是一个实际的应用案例，具有很高的实用性，可直接应用于实际开发中，同时也为单例模式的深入理解提供了很好的实践支持。