【C/C++】单例模式

第一种方法：不使用锁，在多线程环境下不能正常工作

    

【注】：静态成员变量的初始化必须在类的外部进行，并且需要通过 类作用域解析运算符（::）来指定变量所属的类。

 

第二种方法：加锁确保多线程环境下只创建一个实例，但加锁是一个非常耗时的操作（每次访问都加锁，性能较低）。

加锁操作：

使用了 std::lock_guard<std::mutex> 来管理互斥锁（std::mutex）。

std::lock_guard<std::mutex> 是一个 RAII（资源获取即初始化）类型的工具：

• • 当创建一个 std::lock_guard 对象时，它会自动锁住给定的 std::mutex。
  • 当 std::lock_guard 对象超出其作用域（代码块结束）时，会自动调用 std::mutex::unlock()，释放锁。

这就使得代码更加简洁且安全，无需显式调用 unlock()，避免了手动释放锁可能出现的错误（例如异常或忘记解锁）。

• std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

  • 构造了一个 std::lock_guard 对象 lock，并将互斥锁 mutex 作为参数传入。
  • 构造时，自动调用 mutex.lock()，将互斥锁加锁。

• 作用域内：

  • 在 lock 的生命周期内，mutex 会保持加锁状态。

• 作用域结束：

  • 当 lock 对象超出作用域时（代码块结束），std::lock_guard 的析构函数会被调用。
  • 析构函数自动调用 mutex.unlock()，释放锁。

如果手动加锁和解锁

如果没有使用 std::lock_guard，你需要手动调用 lock() 和 unlock()，如下：

mutex.lock(); // 手动加锁

if (instance == nullptr) {

  instance = new Singleton3(); // 创建实例

}

mutex.unlock(); // 手动解锁

但这种方式容易出错，例如：

• • 异常未处理时锁未释放： 如果在 mutex.unlock() 之前抛出异常，锁将不会被释放。
  • 逻辑复杂时忘记解锁： 程序员可能忘记调用 unlock()，导致死锁。

使用 std::lock_guard 的好处

• 简化代码： 避免显式调用 lock() 和 unlock()。
• 异常安全： 无论代码是否异常终止，std::lock_guard 都会确保锁被释放。
• 减少出错： RAII 自动管理资源，降低因疏忽造成的死锁风险。

 

第三种方法：双重检查锁定，在保证线程安全的同时提高性能。

                     加锁确保多线程环境下只创建一个实例，并且用两个if判断来提高效率。

 

第四种方法：饿汉式，实例在程序加载时创建，无法延迟加载。

【注】：

• 私有构造函数不能直接在类外调用。
• 但在静态成员变量初始化时，类的构造函数调用是受编译器特殊处理的，允许在类外完成静态成员初始化。

 

第五种方法：静态内部类实现，支持延迟加载，线程安全，推荐使用。

 

改进建议（C++11 起推荐方式）

在 C++11 标准中，可以使用局部静态变量实现单例模式，实现懒加载（实例在首次调用 getInstance 时创建），避免手动管理锁和指针：

class Singleton {

  private:

    Singleton() {}

  public:

    static Singleton& getInstance() {

         static Singleton instance; // 局部静态变量，线程安全

         return instance;

    }

};

优点：

• static 局部变量在 C++11 中是线程安全的，简化了代码。
• 不需要手动管理指针，避免内存泄漏的风险。
• 相比上述方法5，扩展性较差。

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 局部静态变量的特点：

• 普通局部变量：
  • 每次调用函数时，局部变量都会被重新创建，离开函数作用域时销毁。
  • 变量的值在下一次调用时不会保留。
• static 局部变量：
  • 只在函数中定义，但其生命周期贯穿程序的整个运行过程。
  • 它只会被初始化一次，后续函数调用时会保留上一次的值。
  • 作用域： 依然是函数的局部作用域，函数外无法访问它。
  • 生命周期： 在程序的整个生命周期内存在，存储在全局/静态数据区。