设计模式 | 单例模式

单例模式（Singleton Pattern） 是设计模式中最简单却最常用的模式之一，它确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。本文将深入探讨单例模式的核心思想、实现技巧以及在C++中的多种实现方式。

为什么需要单例模式？

在软件开发中，我们经常遇到需要全局唯一对象的场景：

资源共享：如数据库连接池、线程池
配置管理：全局配置信息
日志系统：统一的日志记录器
设备驱动：打印机、文件系统等硬件资源管理

在这些场景中，创建多个实例会导致资源浪费、状态不一致等问题。单例模式通过限制类的实例化次数来解决这些问题。

单例模式的实现要点

一个完善的单例模式实现需要满足：

私有构造函数：防止外部直接实例化
静态私有实例：保存唯一实例
静态公有访问方法：提供全局访问点
删除拷贝构造和赋值运算符：防止意外复制
线程安全：多线程环境下的正确性

C++单例模式实现方案

1. 饿汉式（线程安全）

class Singleton {
public:// 删除拷贝构造函数和赋值运算符Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;// 全局访问点static Singleton& getInstance() {return instance;}// 示例方法void log(const std::string& message) {std::cout << "[LOG] " << message << std::endl;}private:// 私有构造函数Singleton() = default;// 静态成员初始化（程序启动时创建）static Singleton instance;
};// 在类外初始化静态成员
Singleton Singleton::instance;

特点：

线程安全：实例在main函数执行前初始化
实现简单
可能造成资源浪费（如果从未使用）
无法处理依赖关系

2. 懒汉式（双检锁模式）

#include <mutex>class Singleton {
public:Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;static Singleton* getInstance() {// 第一次检查（避免不必要的加锁）if (instance == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);// 第二次检查（确保只有一个线程创建实例）if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}}return instance;}void operation() {std::cout << "Performing singleton operation" << std::endl;}private:Singleton() = default;static Singleton* instance;static std::mutex mtx;
};// 初始化静态成员
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

特点：

延迟初始化：首次使用时创建
线程安全：双检锁保证
实现相对复杂
需要处理内存释放（可使用智能指针改进）

3. C++11静态局部变量（推荐）

class Singleton {
public:Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;// 使用静态局部变量（C++11保证线程安全）static Singleton& getInstance() {static Singleton instance;return instance;}void showMessage() {std::cout << "Hello from Singleton!" << std::endl;}private:Singleton() = default;~Singleton() = default;
};

特点：