C++奇迹之旅：C++的单例模式

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发布于 2025-02-28 09:04:45

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在 C++ 中，单例模式（Singleton Pattern） 是一种创建型设计模式，其核心目标是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。它常用于管理全局唯一的资源（如配置、日志系统、线程池等）。以下是单例模式的详细实现和分析：

📝 一、单例模式的核心原则

私有化构造函数：禁止外部通过 new 创建实例。
禁用拷贝和赋值：防止通过拷贝或赋值生成新对象。
静态方法获取实例：通过类内部的静态方法控制实例的创建和访问。
全局唯一性：无论从何处访问，始终返回同一个实例。

二、基础实现（懒汉式，线程不安全）

最简单的单例实现，但存在多线程安全问题：

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;  // 静态成员保存唯一实例
    Singleton() {}               // 私有构造函数
    Singleton(const Singleton&) = delete;            // 禁用拷贝构造
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 禁用赋值操作符

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

// 初始化静态成员
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

问题：

线程不安全：若多个线程同时调用 getInstance()，可能创建多个实例。

三、线程安全的懒汉式（双重检查锁定）

通过双重检查锁定（Double-Checked Locking） 优化性能和线程安全：

#include <mutex>

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mtx;  // 互斥锁
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {              // 第一次检查（避免每次加锁）
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if (instance == nullptr) {          // 第二次检查（确保线程安全）
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
};

// 初始化静态成员
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

特点：

双重检查：减少锁的使用频率，提升性能。
互斥锁：确保多线程环境下只创建一个实例。

四、饿汉式（线程安全）

在程序启动时（静态初始化阶段）直接创建实例，天然线程安全：

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

public:
    static Singleton* getInstance() {
        return instance;
    }
};

// 在类外部直接初始化实例
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();

特点：

提前初始化：实例在程序启动时创建，可能增加启动时间。
线程安全：静态初始化在 C++11 后是线程安全的。

五、C++11 后的现代实现（Meyers’ Singleton）

利用局部静态变量的特性，C++11 保证其初始化是线程安全的：

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // C++11 保证线程安全的局部静态初始化
        return instance;
    }
};

优势：

简洁性：无需手动管理锁或指针。
自动析构：实例在程序结束时自动销毁，避免内存泄漏。
返回引用：避免外部误操作指针（如 delete）。

六、单例模式的销毁问题

若单例实例需要显式释放资源，可以添加销毁方法：

class Singleton {
    private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

public:
    static void destroyInstance() {
        if (instance != nullptr) {
            delete instance;
            instance = nullptr;
        }
    }
};

注意：

谨慎使用：单例的生命周期通常与程序一致，手动销毁可能引入风险。

七、单例模式的优缺点

优点	缺点
全局唯一访问点，方便资源管理	隐藏依赖关系，增加代码耦合性
节省内存和资源	难以扩展（如需要多个实例时需重构）
延迟初始化（懒汉式）	多线程环境下需处理同步问题
	单元测试困难（全局状态难以隔离或模拟）

八、适用场景

配置管理：全局唯一的配置对象。
日志系统：统一管理日志写入。
数据库连接池：共享数据库连接资源。
硬件访问：如打印机、GPU 设备等独占资源。

九、完整示例（现代实现）

#include <iostream>

class Logger {
private:
    Logger() {}  // 私有构造函数
    Logger(const Logger&) = delete;
    Logger& operator=(const Logger&) = delete;

public:
    static Logger& getInstance() {
        static Logger instance;
        return instance;
    }

    void log(const std::string& message) {
        std::cout << "Log: " << message << std::endl;
    }
};

int main() {
    Logger::getInstance().log("Application started");
    Logger::getInstance().log("Processing data...");
    return 0;
}

输出：

Log: Application started
Log: Processing data...

以下是一个完整的单例模式实现，包含实例的显式销毁方法，并通过双重检查锁定确保线程安全：

完整代码实现

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;  // 静态单例实例指针
    static std::mutex mtx;       // 互斥锁（用于线程安全）
    
    // 私有化构造函数和析构函数
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton instance created." << std::endl;
    }
    ~Singleton() {
        std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl;
    }

    // 禁用拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

public:
    // 获取单例实例（线程安全）
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {              // 第一次检查（避免每次加锁）
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if (instance == nullptr) {          // 第二次检查（确保线程安全）
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }

    // 显式销毁单例实例（线程安全）
    static void destroyInstance() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 加锁保护
        if (instance != nullptr) {
            delete instance;
            instance = nullptr;  // 重置指针，避免悬空引用
        }
    }

    // 示例方法
    void doSomething() {
        std::cout << "Doing something..." << std::endl;
    }
};

// 静态成员初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

// 使用示例
int main() {
    // 获取单例实例并操作
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    s1->doSomething();

    // 显式销毁实例
    Singleton::destroyInstance();

    // 再次获取实例（会创建新实例）
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
    s2->doSomething();

    return 0;
}

输出结果

Singleton instance created.
Doing something...
Singleton instance destroyed.
Singleton instance created.
Doing something...

关键点说明

线程安全设计：
- 使用 std::mutex 和 std::lock_guard 确保 getInstance() 和 destroyInstance() 的线程安全。
- 双重检查锁定（Double-Checked Locking）减少锁的竞争，提升性能。
显式销毁逻辑：
- destroyInstance() 方法通过 delete 释放实例内存，并将 instance 指针置为 nullptr。
- 销毁后再次调用 getInstance() 会创建新实例（根据需求可修改为禁止重新创建）。
资源管理：
- 析构函数 ~Singleton() 可以释放单例持有的资源（如文件句柄、网络连接）。
- 若不显式调用 destroyInstance()，单例实例将在程序结束时由操作系统回收（可能不符合预期）。

改进建议

若需禁止销毁后重新创建实例，可增加一个标志位：

class Singleton {
private:
    static bool destroyed;  // 新增销毁标志

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (destroyed) {
            throw std::runtime_error("Singleton instance has been destroyed.");
        }
        // ...（原有逻辑）
    }

    static void destroyInstance() {
        // ...（原有逻辑）
        destroyed = true;  // 标记已销毁
    }
};

// 初始化静态成员
bool Singleton::destroyed = false;