C++学习 - 03（单例模式）

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一、概述

一、概述

BuiltinLed& BuiltinLed::GetInstance() 是一个典型的单例模式（Singleton Pattern）的实现方法。单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在 C++ 中，单例模式通常通过静态成员函数 GetInstance 来实现，该函数返回类的唯一实例。

1. 单例模式的目的

确保唯一性：确保一个类只有一个实例。
提供全局访问点：提供一个全局访问点，使得任何地方都可以访问这个唯一的实例。

2. BuiltinLed 类的定义

&emsp假设 BuiltinLed 类是一个管理内置 LED 的类，我们希望在整个程序中只有一个 BuiltinLed 实例。下面是 BuiltinLed 类的一个可能实现：

c 复制代码

#include <iostream>

class BuiltinLed
{
    private:
        // 私有构造函数，防止外部直接实例化
        BuiltinLed();
        // 私有析构函数，防止外部删除实例
        ~BuiltinLed();
        // 禁止拷贝构造和赋值操作
        BuiltinLed(const BuiltinLed &) = delete;
        BuiltinLed &operator=(const BuiltinLed &) = delete;
        
    public:
        // static BuiltinLed &GetInstance(); 是一个典型的单例模式实现中的方法声明。这个方法返回一个 BuiltinLed 类的唯一实例，
        // 并且是线程安全的。通过静态局部变量和私有构造函数，确保了类的唯一实例，并且提供了线程安全的全局访问点。这种模式在需
        // 要全局共享资源的场景下非常有用，例如配置管理、日志记录、数据库连接池等。
        #if 0// 方法一
        static BuiltinLed &GetInstance();
        #endif
        // 方法二
        static BuiltinLed &GetInstance()
        {
            static BuiltinLed instance;
            return instance;
        }
        void SetColor(int red, int green, int blue);
        void Blink(int times, int interval);
};

// 私有构造函数，防止外部直接实例化
BuiltinLed::BuiltinLed()
{
    std::cout << "BuiltinLed instance created." << std::endl;
}
// 私有析构函数，防止外部删除实例
BuiltinLed::~BuiltinLed()
{
    std::cout << "BuiltinLed instance destroyed." << std::endl;
}

#if 0 // 方法一
/** ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 * @brief 获取实例方法
 * 
 * @return BuiltinLed& 
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
BuiltinLed& BuiltinLed::GetInstance()
{
    static BuiltinLed instance;
    return instance;
}
#endif


// 成员函数，用于控制 LED
void BuiltinLed::SetColor(int red, int green, int blue)
{
    std::cout << "Set color: R=" << red << ", G=" << green << ", B=" << blue << std::endl;
}
// 成员函数，用于控制 LED
void BuiltinLed::Blink(int times, int interval)
{
    std::cout << "Blink " << times << " times with interval " << interval << " ms." << std::endl;
}

int main()
{
    // 获取 BuiltinLed 的唯一实例
    BuiltinLed &led = BuiltinLed::GetInstance();

    // 使用实例
    led.SetColor(255, 0, 0);
    led.Blink(5, 500);

    return 0;
}

3.解释

静态局部变量
- 静态局部变量：在 GetInstance 方法中，static BuiltinLed instance; 声明了一个静态局部变量。静态局部变量在第一次访问时初始化，并且在程序的整个生命周期内存在。
- 线程安全：在 C++11 及更高版本中，静态局部变量的初始化是线程安全的。这意味着即使多个线程同时调用 GetInstance，也只会创建一个 BuiltinLed 实例。
私有构造函数
- 私有构造函数：BuiltinLed 类的构造函数是私有的，这确保了外界无法通过 new 或其他方式直接创建 BuiltinLed 的实例。只有通过 GetInstance 方法才能获得 BuiltinLed 的唯一实例。
- 删除拷贝构造函数和赋值操作符：通过删除拷贝构造函数和赋值操作符，确保 BuiltinLed 类的实例不能被复制或赋值，从而保证单例的唯一性。

4.优点

线程安全：由于静态局部变量的初始化是线程安全的，因此 GetInstance 方法是线程安全的。
懒加载：实例在第一次调用 GetInstance 时创建，而不是在程序启动时创建，这可以节省内存。
唯一性：确保 BuiltinLed 类只有一个实例，避免了资源的重复创建和销毁。

5.缺点

单例模式的局限性：单例模式限制了类的灵活性，例如不能通过继承来扩展单例类。
测试困难：单例模式使得单元测试变得更加复杂，因为单例类的状态在测试之间会保留。