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【C++】C++的单例模式

article 2024/11/5 21:07:05

二十四、C++的单例模式

1、C++的单例模式
本小标题不是讨论C++的语言特性，而是一种设计模式，用于确保一个类在任何情况下都只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。即C++的单例模式。这种模式常用于资源管理，如‌线程池、‌缓存、‌日志对象等，以确保这些关键资源不会被过度使用，同时节省内存。单例模式的核心在于类自身负责创建自己的唯一实例，并提供一个静态方法来获取这个实例，从而防止外部代码创建多个实例。‌

（1）关于单例模式的一点说明：
单例模式说白了就是，我只想有一个对象的单一实例。也就是只想有一个对象的单一的数据集，比如一些专属它的变量，和一些仅针对它的函数。当然这些函数也是仅仅针对这个对象的、特定的数据集的操作。
那么，要实现单例模式，至少有下面三种实现途径：
一是用类来实现。像Java和C#它们天生就是面向对象语言，所以它们强制你使用类。特别是java，所有东西都必须是一个类，你不能在类之外有代码，如果你想要静态的功能，你不需要实例化，但你必须在你的类中创建静态成员。
二是可以用命名空间来实现。C++不像Java和C#那么多规则限制，C++不对静态函数做这些规则限制，所以C++可以不需要写一个类，可以在某个名称空间中写一些函数，甚至在全局名称空间中，它们不属于任何类的类型。其实说白了，类名就是一种命名空间。用类来实现单例模式，从根本上说，就是将类用作命名空间，来调用某些函数。
三是，C++可以有完全全局的变量，或者可以有一个静态变量，它被绑定到一个特定的翻译单元，或者一个特定的CPP文件。也是可以实现单例模式的。

所以要实现单例模式并不一定非得用类来实现，只是用类实现是最简单直观的。

（2）单例设计模式在哪里发挥作用呢？
当我们想要拥有应用于某种全局数据集的功能，而且我们只是想要重复使用时，单例是非常有用的。比如一个随机数生成器，我们只是希望能够查询它，比如给我们一个随机数，我们不需要实例化它，遍历所有东西。因为我们只是想实例化它一次，这样它就会生成随机数生成器的种子，建立起它所需要的任何辅助的东西了。然后我们要调用一个函数，基于我们初始化它的结果，它会给我们一个随机数。
另一个很好的例子是渲染器，渲染器通常是一个非常全局的东西。我们通常不会有一个渲染器的多个实例，我们有一个渲染器，我们向它提交所有这些渲染命令，然后它会为我们渲染一些东西。如果我们将其分解到opengl的部分，我们实际上通过渲染器调用opengl调用的东西，本身就是一组全局函数。这根本不是和某种对象有关的东西，它们只是C风格的函数，没有类，一点关系都没有。

‌‌（3）用类实现单例模式的几个关键点：
发明类的初心就是重复使用，创建任意个实例的，但是现在我们只允许它只能有一个实例，所以我们要通过下面几点来达到目的：
一是私有构造函数‌：防止外部通过new操作符创建多个实例，因为new操作符的底层也是调用构造函数，私有构造函数就无法调用。
‌‌二是使用静态变量‌存储类的唯一实例。
‌三是使用公共静态方法‌提供一个全局访问点来获取这个实例。

下面编写一个非常非常基本的、用类来实现单例的例子：

这段代码通过将构造函数设为私有，确保外部无法直接创建实例；创建一个自身的实例，并静态的、私有的存储；然后通过一个公共的静态方法来获取那个实例。这些操作就让这个类成了一个单例类。

可见，C++中的类单例只是一种组织一堆全局变量和静态函数的方式，这些静态函数有时可能对这些变量起作用，有时也可能不对这些变量起作用。也就是在一个单一的名称空间下(类名)，把这些全局变量和静态函数组织在一起。这就是C++类单例的本质。

如果还是不是太理解的同学可以参考我之前写的博文【C++】类、静态static、枚举、重载、多态、继承、重写、虚函数、纯需函数、虚析构函数_静态与多态:重写、重载、模板-CSDN博客中的static部分，相信看完就明白了。

如果觉得上面的例子没有啥意义，那我们利用单例类写一个随机数生成器：

这个随机数生成器是我们在一开始就放入了随机数种子，然后在整个程序中重用，非常简单，因为我们不需要一个随机数生成器有多个实例。上图单例仅仅是返回了一个静态值，所以这个单例可以写成右边的静态函数。但是我们还是使用了类单例(左图)，因为类单例之所以为类单例，是因为它实际上还是一个类，因此它可以支持所有的类特性，比如类成员变量等。