单例模式（C++）

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
- 使用场景
- 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 复制代码

#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 复制代码

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。

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 复制代码

//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。