C++设计模式之单例模式：以小区快递柜为例

在日常生活中，我们总会遇到"独一无二"的物品------比如小区门口的快递柜。整个小区里，不管是业主、快递员还是物业，使用的都是同一组快递柜，不会因为张三要存快递就新增一套，李四取快递再建一套。这种"全局唯一实例、统一访问"的场景，在编程世界里就对应着一种经典设计模式------单例模式。

单例模式的核心定义是：确保一个类在整个程序运行过程中只存在一个实例对象，并且提供一个全局唯一的访问接口来获取这个实例，避免因重复创建实例导致的资源浪费（如内存占用、数据库连接冲突等）。就像快递柜，统一管理才能避免快递混乱存放，单例模式也能让类的实例"有序可控"。

一、单例模式的核心要点（对应快递柜的特性）

唯一实例：小区只有一套快递柜，类只有一个实例。这就要求我们禁止外部通过"new"关键字随意创建类的对象，必须通过类自身提供的接口获取实例。
私有构造函数：快递柜不会自己"复制"出另一套，类的构造函数必须设为私有，阻止外部直接创建实例。同时，拷贝构造函数和赋值运算符也需禁用，避免通过拷贝生成新实例。
全局访问接口：业主通过快递柜的"操作面板"存取快递，类需提供一个静态的公有成员函数（如GetInstance()），作为全局访问入口，返回唯一的实例对象。
线程安全（可选但重要）：如果多个快递员同时存快递，快递柜要能正常工作；如果程序是多线程的，创建实例时要避免因并发导致创建多个实例，需做好线程同步。

二、C++单例模式的两种经典实现（附代码示例）

结合快递柜的场景，我们以"CommunityExpressCabinet"（小区快递柜类）为例，实现两种常用的单例模式：饿汉式和懒汉式。

1. 饿汉式单例：快递柜"提前建好"

饿汉式的核心思路是：在程序启动时（类加载阶段）就主动创建唯一的实例对象，之后全局访问时直接返回该实例。就像小区在业主入住前，就提前建好快递柜，随时可以使用。

优点：实现简单，无需考虑线程安全问题（实例在程序启动时单线程创建）；缺点：如果程序全程不使用该实例，会造成内存浪费（相当于快递柜建好后一直没人用）。

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 小区快递柜类（饿汉式单例）
class CommunityExpressCabinet {
private:
    // 1. 私有构造函数：禁止外部创建实例
    CommunityExpressCabinet() {
        cout << "小区快递柜已建成，开始服务！" << endl;
    }

    // 2. 禁用拷贝构造和赋值运算符：避免复制实例
    CommunityExpressCabinet(const CommunityExpressCabinet&) = delete;
    CommunityExpressCabinet& operator=(const CommunityExpressCabinet&) = delete;

    // 3. 私有静态实例：程序启动时创建，全局唯一
    static CommunityExpressCabinet instance;

    // 快递柜的模拟数据：存储快递（柜号-快递信息）
    string cabinets[10] = {""}; // 假设10个柜格

public:
    // 4. 公有静态访问接口：全局唯一获取实例的方式
    static CommunityExpressCabinet& GetInstance() {
        return instance;
    }

    // 快递柜的业务方法：存快递
    bool StoreExpress(int cabinetNum, const string& expressInfo) {
        if (cabinetNum < 0 || cabinetNum > 9) {
            cout << "柜号无效！请输入0-9之间的柜号。" << endl;
            return false;
        }
        if (cabinets[cabinetNum] != "") {
            cout << "柜格" << cabinetNum << "已占用，存件失败！" << endl;
            return false;
        }
        cabinets[cabinetNum] = expressInfo;
        cout << "快递【" << expressInfo << "】已存入柜格" << cabinetNum << endl;
        return true;
    }

    // 快递柜的业务方法：取快递
    bool TakeExpress(int cabinetNum, string& expressInfo) {
        if (cabinetNum < 0 || cabinetNum > 9) {
            cout << "柜号无效！请输入0-9之间的柜号。" << endl;
            return false;
        }
        if (cabinets[cabinetNum] == "") {
            cout << "柜格" << cabinetNum << "为空，取件失败！" << endl;
            return false;
        }
        expressInfo = cabinets[cabinetNum];
        cabinets[cabinetNum] = ""; // 取件后清空柜格
        cout << "从柜格" << cabinetNum << "取出快递：" << expressInfo << endl;
        return true;
    }
};

// 关键：在类外部初始化静态实例（程序启动时执行）
CommunityExpressCabinet CommunityExpressCabinet::instance;

// 测试代码
int main() {
    // 1. 获取快递柜实例（两次获取的是同一个实例）
    CommunityExpressCabinet& cabinet1 = CommunityExpressCabinet::GetInstance();
    CommunityExpressCabinet& cabinet2 = CommunityExpressCabinet::GetInstance();

    // 2. 验证是否为同一个实例（地址相同）
    cout << "柜1地址：" << &cabinet1 << endl;
    cout << "柜2地址：" << &cabinet2 << endl;

    // 3. 存快递操作
    cabinet1.StoreExpress(0, "张三的手机壳");
    cabinet2.StoreExpress(0, "李四的图书"); // 同一柜格，存件失败
    cabinet2.StoreExpress(1, "李四的图书");

    // 4. 取快递操作
    string express;
    cabinet1.TakeExpress(1, express);
    cabinet2.TakeExpress(1, express); // 已取出，取件失败

    // 5. 禁止创建新实例（编译报错）
    // CommunityExpressCabinet cabinet3; // 错误：构造函数私有
    // CommunityExpressCabinet cabinet4 = cabinet1; // 错误：拷贝构造已禁用

    return 0;
}

结果分析：两次获取的实例地址相同，证明是唯一实例；存件时同一柜格会冲突，取件后柜格清空，符合快递柜的实际逻辑。

2. 懒汉式单例：快递柜"按需建成"

懒汉式的核心思路是：程序启动时不创建实例，直到第一次调用访问接口（GetInstance()）时，才创建唯一的实例。就像小区先规划好快递柜位置，等第一个业主需要存快递时再建好，避免资源浪费。

优点：按需创建实例，节省内存；缺点：需要处理线程安全问题（多线程同时调用GetInstance()可能创建多个实例），C++11后可通过"局部静态变量"简化实现并保证线程安全。

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>
#include <chrono>
using namespace std;

// 小区快递柜类（懒汉式单例，C++11线程安全版）
class CommunityExpressCabinet {
private:
    // 1. 私有构造函数
    CommunityExpressCabinet() {
        // 模拟快递柜建造耗时（验证线程安全）
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));
        cout << "小区快递柜已建成，开始服务！" << endl;
    }

    // 2. 禁用拷贝构造和赋值运算符
    CommunityExpressCabinet(const CommunityExpressCabinet&) = delete;
    CommunityExpressCabinet& operator=(const CommunityExpressCabinet&) = delete;

    // 快递柜模拟数据
    string cabinets[10] = {""};

public:
    // 3. 公有静态访问接口：C++11中局部静态变量初始化是线程安全的
    static CommunityExpressCabinet& GetInstance() {
        // 第一次调用时创建实例，之后直接返回
        static CommunityExpressCabinet instance;
        return instance;
    }

    // 存快递方法（同饿汉式）
    bool StoreExpress(int cabinetNum, const string& expressInfo) {
        if (cabinetNum < 0 || cabinetNum > 9) {
            cout << "柜号无效！请输入0-9之间的柜号。" << endl;
            return false;
        }
        if (cabinets[cabinetNum] != "") {
            cout << "柜格" << cabinetNum << "已占用，存件失败！" << endl;
            return false;
        }
        cabinets[cabinetNum] = expressInfo;
        cout << "快递【" << expressInfo << "】已存入柜格" << cabinetNum << endl;
        return true;
    }

    // 取快递方法（同饿汉式）
    bool TakeExpress(int cabinetNum, string& expressInfo) {
        if (cabinetNum < 0 || cabinetNum > 9) {
            cout << "柜号无效！请输入0-9之间的柜号。" << endl;
            return false;
        }
        if (cabinets[cabinetNum] == "") {
            cout << "柜格" << cabinetNum << "为空，取件失败！" << endl;
            return false;
        }
        expressInfo = cabinets[cabinetNum];
        cabinets[cabinetNum] = "";
        cout << "从柜格" << cabinetNum << "取出快递：" << expressInfo << endl;
        return true;
    }
};

// 测试多线程场景（验证线程安全）
void TestSingletonInThread(int threadId) {
    cout << "线程" << threadId << "尝试获取快递柜实例..." << endl;
    CommunityExpressCabinet& cabinet = CommunityExpressCabinet::GetInstance();
    cout << "线程" << threadId << "获取的实例地址：" << &cabinet << endl;
}

// 主函数
int main() {
    cout << "程序启动，未创建快递柜实例..." << endl;
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); // 等待1秒，观察是否提前创建

    // 多线程同时获取实例（验证线程安全）
    thread t1(TestSingletonInThread, 1);
    thread t2(TestSingletonInThread, 2);
    thread t3(TestSingletonInThread, 3);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    // 业务操作
    CommunityExpressCabinet& cabinet = CommunityExpressCabinet::GetInstance();
    cabinet.StoreExpress(5, "王五的零食");
    string express;
    cabinet.TakeExpress(5, express);

    return 0;
}

结果分析：程序启动后并未立即创建实例，直到线程调用GetInstance()时才创建；三个线程获取的实例地址相同，证明C++11的局部静态变量实现了线程安全的懒汉式单例。

三、单例模式的适用场景（对应生活中的"唯一资源"）

资源共享场景：如日志管理器（整个程序只有一个日志文件写入实例）、配置管理器（配置文件只加载一次），类似快递柜统一管理小区快递。
控制唯一实例场景：如打印机后台处理程序（同一时间只能有一个打印任务调度）、数据库连接池（避免创建过多连接浪费资源）。
避免重复创建场景：如界面中的"设置对话框"，每次打开都是同一个对话框实例，不会重复创建多个窗口。

四、总结

单例模式的核心是"唯一实例+全局访问"，就像小区的快递柜，通过"私有构造阻止重复创建"和"静态接口统一访问"保证唯一性。在C++中，饿汉式实现简单但可能浪费资源，适合实例必须提前初始化的场景；懒汉式按需创建更高效，C++11后通过局部静态变量可轻松实现线程安全。实际开发中，需根据"是否需要线程安全""实例是否必须提前创建"等需求选择合适的实现方式，避免过度使用单例模式（如后续扩展多个实例时会增加修改成本）。