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【设计模式】C++ 单例模式总结与最佳实践

article 2025/3/22 5:21:45

1. 单例模式简介

单例模式（Singleton Pattern） 是软件开发中常见的设计模式之一，主要用于 确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。常见的使用场景包括：

日志管理：全局唯一的日志记录器。
数据库连接池：防止创建多个数据库连接，提高性能。
资源管理器：如线程池、驱动管理器等。

2. 单例模式的实现方式

C++ 中实现单例模式的方式有多种，常见方式如下：

2.1 普通的单例模式（非线程安全）

特点：

使用静态成员变量存储唯一实例。
懒加载（Lazy Initialization），即 首次访问时创建实例。
非线程安全，在多线程环境下可能创建多个实例。

#include <iostream>

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() { std::cout << "Singleton Instance Created\n"; }

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

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

int main() {
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
    std::cout << (s1 == s2) << "\n"; // 输出 1，表示同一个实例
}

缺点：

非线程安全：多个线程可能同时调用 getInstance()，导致创建多个实例。
内存泄漏：实例在程序结束时不会自动释放。

2.2 线程安全的单例模式

方法 1：使用互斥锁（Mutex）

特点：

通过 std::mutex 保护 getInstance()，确保多线程安全。
缺点：每次获取实例都要加锁，影响性能。

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mutex;
    Singleton() { std::cout << "Singleton Instance Created\n"; }

public:
    static Singleton* getInstance() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

// 初始化静态变量
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;

方法 2：双重检查锁（DCLP）

特点：

提高性能：只有在 instance == nullptr 时才会加锁。
C++11 及以后推荐使用，早期 C++ 需要 volatile 避免指令重排。

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mutex;
    Singleton() {}

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) { // 第一次检查
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
            if (instance == nullptr) { // 第二次检查
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
};

// 初始化静态变量
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;

2.3 C++11 静态局部变量单例（推荐）

特点：

C++11 保证静态局部变量初始化是线程安全的，不需要 mutex。
代码简洁，性能最佳，生命周期由编译器自动管理。
唯一缺点：不能提前释放实例，程序结束时才释放。

#include <iostream>

class Singleton {
private:
    Singleton() { std::cout << "Singleton Instance Created\n"; }

public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // C++11 线程安全
        return instance;
    }
};

int main() {
    Singleton& s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton& s2 = Singleton::getInstance();
    std::cout << (&s1 == &s2) << "\n"; // 输出 1
}

3. 各种单例模式对比

实现方式	线程安全	性能	代码复杂度	生命周期管理
普通懒汉式	❌ 否	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	手动释放
加锁（mutex）	✅ 是	⭐⭐	⭐⭐⭐	手动释放
双重检查锁（DCLP）	✅ 是	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐	手动释放
静态局部变量（推荐）	✅ 是	⭐⭐⭐⭐⭐	⭐	自动释放

4. 结论：推荐使用 C++11 静态局部变量单例

如果你的 C++ 编译器支持 C++11 及以上，推荐使用静态局部变量单例：

线程安全 ✅
性能最佳 ✅
代码简洁 ✅
自动管理生命周期 ✅

适用场景

场景	适用单例方式
普通 C++ 项目	C++11 静态局部变量
多线程项目	C++11 静态局部变量 / DCLP
C++03 及以下	互斥锁（mutex）

如果需要手动管理对象生命周期

可以使用 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr：

#include <memory>
class Singleton {
public:
    static std::shared_ptr<Singleton> getInstance() {
        static std::shared_ptr<Singleton> instance(new Singleton());
        return instance;
    }
};