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设计模式--单例模式(Singleton)【C++】

article 2025/3/15 16:24:47

引言

在设计模式中，单例模式（Singleton Pattern）是一种非常常见且实用的模式。它的核心思想是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。这种模式在需要全局唯一对象的场景中非常有用，比如配置管理、日志记录、数据库连接池等。

本文将通过一个简单的 C++ 示例，带你理解单例模式的基本概念和实现方法。即使你是设计模式的新手，也能轻松掌握！

什么是单例模式？

单例模式是一种创建型设计模式，它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。它的主要特点包括：

唯一性：整个程序中只有一个实例存在。
全局访问：通过一个静态方法或变量来访问该实例。

单例模式的核心思想是通过控制类的实例化过程，避免外部代码随意创建多个实例。

为什么需要单例模式？

在某些场景中，我们需要确保一个类只有一个实例。例如：

配置管理：程序的配置信息只需要加载一次，全局共享。
日志记录：日志系统只需要一个实例来记录所有日志。
数据库连接池：数据库连接池只需要一个实例来管理所有连接。

如果这些场景中允许多个实例存在，可能会导致资源浪费或数据不一致的问题。

C++实现单例模式

先从简单的单例模式入手，通过简单的锁机制实现单例

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
protected:
    Singleton() = default;//禁止外部构造
    Singleton(const Singleton&) = delete;//禁止外部拷贝构造
    ~Singleton() { std::cout << "~Singleton" << std::endl; }//禁止外部析构
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;//禁止外部赋值
    static Singleton* _instance;//单例对象指针
    static std::mutex s_mutex; //互斥锁

public:
    //获取单例实例
    static Singleton* GetInstance() {//通过双重检查实现单例
        if (_instance == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(s_mutex);//加锁
            if (_instance == nullptr) {
                _instance = new Singleton();//初始化单例对象
            }
        }
        return _instance;
    }
    //打印单例实例地址
    void PrintAddress() { std::cout << _instance << std::endl; }
};
//初始化静态成员变量
Singleton* Singleton::_instance = nullptr;
std::mutex Singleton::s_mutex;

int main() {
    Singleton* singleton1 = Singleton::GetInstance();
    singleton1->PrintAddress();
    Singleton* singleton2 = Singleton::GetInstance();
    singleton2->PrintAddress();
    std::cout << "Address: " << singleton1 << std::endl;
    std::cout << "Address: " << singleton2 << std::endl;
    return 0;
}

通过这个例子，你会发现singleton1和singleton2的地址相同。

如果我们想通过单例模式来创建其他类实例，需要引入模板，参考下列代码。

假设我们需要创建一个Redis连接池，通过单例模式实现可以确保一个实例管理所有链接

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>
class RedisConPool : public Singleton<RedisConPool>{
    friend class Singleton<RedisConPool>;//允许Singleton访问Redis的私有成员
private:
    Redis(){std::cout << "RedisConPool instance created!" << std::endl;}
    ~Redis(){std::cout << "RedisConPool instance destroyed!" << std::endl;}
};
template<typename T>
class Singleton {
protected:
    Singleton() = default;//禁止外部构造
    Singleton(const Singleton<T>&) = delete;//禁止外部拷贝构造
    ~Singleton() { std::cout << "~Singleton" << std::endl; }//禁止外部析构
    Singleton<T>& operator=(const Singleton<T>&) = delete;//禁止外部赋值
    static std::shared_ptr<T> _instance;//单例对象智能指针
    static std::once_flag s_flag;//保证单例对象只被初始化一次
public:
    //获取单例实例
    static std::shared_ptr<T> GetInstance() {
        std::claa_once(s_flag,[&]() {
            _instance = std::shared_ptr<T>(new T);//初始化单例对象
        });
        return _instance;
    }
    //打印单例实例地址
    void PrintAddress() { std::cout << _instance.get() << std::endl; }

};
//初始化静态成员变量
template<typename T>
std::shared_ptr<T> Singleton<T>::_instance = nullptr;
template<typename T>
std::once_flag Singleton<T>::s_flag;

int main() {
    //获取单例实例
    std::shared_ptr<RedisConPool> redis1 = Singleton<RedisConPool>::GetInstance();
    std::shared_ptr<RedisConPool> redis2 = Singleton<RedisConPool>::GetInstance();
    redis1->PrintAddress();
    redis2->PrintAddress();
    //比较两个单例实例的地址
    std::cout << "redis1 == redis2 ? " << (redis1 == redis2) << std::endl;
    return 0;
}