单例模式
- 一、核心原理
- 二、常见的单例模式实现方式
-
- [1. 懒汉式（Lazy Initialization）](#1. 懒汉式（Lazy Initialization）)
- [2. 饿汉式（Eager Initialization）](#2. 饿汉式（Eager Initialization）)
- 三、关键实现细节解析
- 四、单例模式的适用场景与特点
单例模式是一种常用的设计模式，其核心是确保一个类在全局只有唯一实例，并提供一个全局访问点。
一、核心原理
- 限制实例化：通过私有化类的构造函数、拷贝构造函数和赋值运算符，禁止外部直接创建实例或复制实例。
- 唯一实例：在类内部维护一个静态的自身实例指针，确保全局只有一个实例。
- 全局访问 ：提供一个静态的公开接口（如
getInstance()），让外部通过该接口获取唯一实例。
二、常见的单例模式实现方式
1. 懒汉式（Lazy Initialization）
实例在第一次被使用时才创建（延迟初始化），节省资源。
cpp
#include <QMutex>
#include <QScopedPointer>
class Singleton {
public:
// 全局访问点：获取唯一实例
static Singleton& getInstance() {
// 双重检查锁定（DCLP），避免多线程下重复创建
if (m_instance.isNull()) {
QMutexLocker locker(&m_mutex); // 加锁，确保线程安全
if (m_instance.isNull()) {
m_instance.reset(new Singleton()); // 首次调用时创建实例
}
}
return *m_instance;
}
// 示例：单例提供的功能方法
void doSomething() {
// ... 业务逻辑 ...
}
private:
// 私有化构造函数：禁止外部创建实例
Singleton() {}
// 私有化拷贝构造和赋值运算符：禁止复制
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
// 静态成员：存储唯一实例
static QScopedPointer<Singleton> m_instance;
static QMutex m_mutex; // 互斥锁，确保多线程安全
};
// 初始化静态成员（类外定义）
QScopedPointer<Singleton> Singleton::m_instance(nullptr);
QMutex Singleton::m_mutex;2. 饿汉式（Eager Initialization）
实例在程序启动时（类加载时）就创建，避免多线程同步问题，但可能提前占用资源。
cpp
class Singleton {
public:
// 全局访问点：直接返回预创建的实例
static Singleton& getInstance() {
static Singleton instance; // 静态局部变量，程序启动时初始化
return instance;
}
void doSomething() {
// ... 业务逻辑 ...
}
private:
// 私有化构造函数
Singleton() {}
// 禁止复制
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};三、关键实现细节解析
-
私有化构造函数
private权限的构造函数阻止外部通过new Singleton()或Singleton obj创建实例，确保实例只能在类内部创建。 -
禁止复制和赋值
通过
= delete显式删除拷贝构造函数和赋值运算符，避免外部通过Singleton obj = Singleton::getInstance()复制实例，保证唯一性。 -
静态实例与全局访问
类内部的静态成员（
m_instance或静态局部变量）存储唯一实例，getInstance()静态方法提供全局访问入口，确保任何地方都能获取同一个实例。 -
线程安全处理
- 懒汉式中使用
QMutex加锁，避免多线程同时调用getInstance()时创建多个实例（双重检查锁定进一步优化性能）。 - 饿汉式依赖静态变量的初始化特性（C++11 后静态局部变量初始化是线程安全的），无需额外加锁。
- 懒汉式中使用
四、单例模式的适用场景与特点
使用场景
- 全局配置管理（如程序的配置类）。
- 日志工具类（确保日志写入的唯一性）。
cpp
//ErrorLogger.h文件
#ifndef ERRORLOGGER_H
#define ERRORLOGGER_H
#include <QString>
#include <QMutex>
// 错误日志工具类（单例模式）
class ErrorLogger
{
public:
// 获取单例实例
static ErrorLogger& getInstance();
// 禁止拷贝和赋值
ErrorLogger(const ErrorLogger&) = delete;
ErrorLogger& operator=(const ErrorLogger&) = delete;
// 写入错误日志
void writeLog(const QString& errorMessage);
// 设置日志文件路径（默认当前目录下的error.log）
void setLogFilePath(const QString& path);
private:
// 私有构造函数（单例模式）
ErrorLogger();
QString m_logFilePath; // 日志文件路径
QMutex m_mutex; // 互斥锁，确保多线程安全
};
#endif // ERRORLOGGER_H
//ErrorLogger.cpp文件
#include "ErrorLogger.h"
#include <QFile>
#include <QTextStream>
#include <QDateTime>
#include <QDir>
#include <QDebug>
ErrorLogger::ErrorLogger()
{
// 默认日志路径：当前程序目录下的error.log
m_logFilePath = QDir::currentPath() + "/error.log";
}
ErrorLogger& ErrorLogger::getInstance()
{
static ErrorLogger instance;
return instance;
}
void ErrorLogger::setLogFilePath(const QString& path)
{
m_logFilePath = path;
}
void ErrorLogger::writeLog(const QString& errorMessage)
{
// 多线程加锁，避免日志写入冲突
QMutexLocker locker(&m_mutex);
// 获取当前时间戳（格式：yyyy-MM-dd hh:mm:ss）
QString timeStamp = QDateTime::currentDateTime().toString("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
// 构建日志内容（时间 + 错误信息）
QString logContent = QString("[%1] Error: %2\n").arg(timeStamp).arg(errorMessage);
// 打开文件（以追加模式，不存在则创建）
QFile file(m_logFilePath);
if (!file.open(QIODevice::WriteOnly | QIODevice::Append | QIODevice::Text)) {
qDebug() << "无法写入日志文件:" << file.errorString();
return;
}
// 写入日志
QTextStream out(&file);
out << logContent;
file.close();
}
//main.cpp文件
// 写入错误日志（包含系统错误信息）
ErrorLogger::getInstance().writeLog(
QString("文件打开失败: %1（路径：%2）")
.arg(file.errorString())
.arg(file.fileName())
);
// 可选：设置自定义日志路径（如程序数据目录）
ErrorLogger::getInstance().setLogFilePath(
QDir::homePath() + "/myapp/logs/error.log"
);- 设备管理器（如硬件设备的唯一控制实例）。
- 缓存管理器（避免重复创建缓存对象）。
特点
-
优点 ：
确保全局唯一实例，减少资源消耗（如频繁创建销毁实例的开销），提供统一的访问点。
-
缺点 ：
单例本质是全局变量，可能导致代码耦合度升高；测试困难（单例状态难以隔离）；在多线程环境下需谨慎处理同步问题。
通过上述实现，单例模式能有效控制类的实例数量，在需要全局唯一访问点的场景中非常实用。