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C++实现单例模式

article 2024/10/4 14:12:01

单例模式是一种创建型模式，核心思想是保证一个类只有一个实例，并对外提供一个全局访问点来访问这个实例。
单例模式分为两种：

饿汉式：指的是在程序一加载就创建实例，因此称为饿汉式。这样的好处是没有多线程竞争，缺点是如果后面没有使用到这个单例，就浪费了。
懒汉式：指的是到要用的时候才创建，因此称为懒汉式。这种方式可能会有多线程冲突，因此程序运行中，可能有多个线程都想创建单例，因此需要使用相应的机制避免冲突。程序需要的时候才进行实例化，提高了性能。

单例模式的优点：

全局控制：保证只有一个实例，就可以严格控制什么时候如何访问
节省资源：因为只有一个实例，不会创建多个实例，自然就更节省资源了

单例模式实现的几个要点：

私有的构造函数：防止外部直接创建
私有的静态实例变量：保存唯一实例
公有的访问方法：对外的唯一方法来获取实例

下面是一个常见的懒汉式实现方式：

// singleton.h

#pragma once
#include <mutex>
using namespace std;

class Singleton {
private:
	Singleton() = default;  // 私有构造，禁止外部构造
	~Singleton() = default; // 私有析构，禁止外部析构
	Singleton(const Singleton&) = delete; // 删除拷贝构造函数
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 删除赋值函数
public:
	// 外部接口，获取单例实例对象
	static Singleton* getInstance(); 

	// 释放单例
	static void deleteInstance();

	void print();
private:
	static Singleton* instance; // 唯一的单例对象指针
	static mutex mtx;
};

// singleton.cpp
#include <iostream>
#include "singleton.h"

Singleton* Singleton::instance = nullptr;
mutex Singleton::mtx;
Singleton* Singleton:: getInstance() {
	// 这两个if称为双重检测
	if (instance == nullptr) {
		unique_lock<mutex> lck(mtx);
		if (instance == nullptr) {
			instance = new Singleton();
			return instance;
		}
	}
	return instance;
}

void Singleton::deleteInstance() {
	unique_lock<mutex> lck(mtx);
	if (instance != nullptr) {
		delete instance;
		instance = nullptr;
	}
}

void Singleton::print() { std::cout << "实例地址：" << this << std::endl; }

int main() {
	Singleton::getInstance(); // 获取单例
	Singleton::getInstance()->print();
	return 0;
}

为什么要使用双重检测（上面的两个if）
第一个if很好理解，当实例为空的时候才去创建。第二个if是为了保证只有一个线程拿到锁去创建实例。通俗的说，当进入第一个if后，这时候可能有多个线程来获取锁，如果不第二次判空，就可能创建出多个实例。

饿汉式实现：

class Singleton {
private:
	Singleton() = default;  // 私有构造，禁止外部构造
	~Singleton() = default; // 私有析构，禁止外部析构
	Singleton(const Singleton&) = delete; // 删除拷贝构造函数
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 删除赋值函数
public:
	// 外部接口，获取单例实例对象
	static Singleton* getInstance() {
		return instance;
	}
	void deleteInstance() {
		if (instance != nullptr) {
			delete instance;
			instance = nullptr;
		}
	}
	void print() { std::cout << "实例地址：" << this << std::endl; }
private:
	static Singleton* instance;
};
// 程序一启动就创建，没有多线程冲突
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();

int main() {
	Singleton::getInstance();
	Singleton::getInstance()->print();
	return 0;
}