设计模式--单例（Singleton）模式

目录

• 1 概念
• 2 使用场景
  • 2.1 饿汉式单例模式
  • 2.2 懒汉式单例模式
  • 2.3 双重检查锁定（线程安全）

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1 概念

单例模式（Singleton Pattern）是一种常见的设计模式，用于确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。在C++中，单例模式通常用于管理全局资源或提供全局配置。

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2 使用场景

以下是C++中实现单例模式的常见方法：

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2.1 饿汉式单例模式

饿汉式是一种实现单例模式的策略，其特点是全局的单例实例在类装载时构建。这种方式的优点是类加载比较快，因为实例化工作在类加载时就已经完成。但缺点是如果该类从未被使用，则实例化会造成不必要的性能开销。

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        // 在类加载时就完成了初始化，所以类加载比较频繁时可能会造成性能问题
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
    
    // 其他成员函数...
    
private:
    Singleton() {}  // 私有构造函数，防止外部直接实例化
    Singleton(const Singleton&) = delete;  // 禁止拷贝构造函数
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;  // 禁止拷贝赋值运算符
};

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2.2 懒汉式单例模式

懒汉式是一种延迟加载的单例模式实现方式，其特点是在第一次使用时创建实例对象，而不是在类加载时就创建。这种方式的优点在于只有在真正需要时才会进行实例化，可以节省内存空间。但如果类被频繁地加载和卸载，懒汉式可能会造成不必要的性能开销。

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton* instance = nullptr;  // 延迟初始化
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();  // 懒加载，只会在第一次调用时创建实例
        }
        return *instance;
    }
    
    // 其他成员函数...
    
private:
    Singleton() {}  // 私有构造函数，防止外部直接实例化
    Singleton(const Singleton&) = delete;  // 禁止拷贝构造函数
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;  // 禁止拷贝赋值运算符
};

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2.3 双重检查锁定（线程安全）

双重检查锁定（Double-Checked Locking）是一种在单例模式中使用的性能优化技术。这种技术旨在在并发环境下提高单例对象的创建效率，同时确保线程安全。
双重检查锁定的基本思想是在获取单例对象时进行双重检查，即先检查实例是否已经创建，如果尚未创建，再进行同步操作来确保只有一个线程创建实例。这样可以在不必要时避免同步开销，提高性能。这种技术在单例对象的初始化上实现了懒加载（Lazy Initialization），即对象直到第一次被访问时才进行初始化。
需要注意的是，在使用双重检查锁定时，需要特别注意内存模型的细节，以避免出现线程安全问题。例如，需要使用volatile关键字来确保对共享变量的正确读写，以及使用锁来保护临界区代码等。同时，由于双重检查锁定涉及到多线程编程的复杂性，因此在使用时需要谨慎处理线程同步和竞争条件的问题。
为了在多线程环境下安全地实现单例模式，可以使用双重检查锁定机制。在C++11及更高版本中，可以使用std::call_once来实现。以下是一个示例：

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton* instance = nullptr;  // 延迟初始化
        std::call_once(initInstanceFlag, &Singleton::initInstance);  // 使用std::call_once确保只初始化一次实例
        return *instance;
    }
    
    // 其他成员函数...
    
private:
    Singleton() {}  // 私有构造函数，防止外部直接实例化
    Singleton(const Singleton&) = delete;  // 禁止拷贝构造函数
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;  // 禁止拷贝赋值运算符
    static void initInstance() { instance = new Singleton(); }  // 静态成员函数，用于初始化实例（只执行一次）
    static std::once_flag initInstanceFlag;  // 静态成员变量，用于控制初始化实例的执行次数（只执行一次）
};