【C++设计模式】（三）创建型模式：单例模式

（三）创建型模式：单例模式

单例模式在于确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。在某些情况下，某些代码组件（如线程池，日志记录器）需要在整个应用程序中共享，使用单例模式可以实现组件资源的复用，并简化系统设计。

单例模式实现方式主要包括饿汉式和懒汉式两种。

饿汉式

饿汉式是指在类加载的时候就创建单例实例，不管后续是否会使用这个实例。

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance; // 静态成员变量，属于类本身而不是类的任何特定对象
   
    Singleton() {}              // 私有构造函数防止外部实例化

public:
    static Singleton* getInstance() {  // 全局访问点
        return instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = new Singleton();  // 在静态成员变量初始化时创建实例

示例：

#include <iostream>

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

public:
    static Singleton* getInstance() {
        return instance;
    }

    void doSomething() {
        std::cout << "Doing something..." << std::endl;
    }

};

Singleton* Singleton::instance = new Singleton();

int main() {

    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();

    if (s1 == s2) {
        std::cout << "s1 and s2 are the same instance" << std::endl;
    }

    s1->doSomething();

    return 0;
}

s1 and s2 are the same instance
Doing something...

在多线程环境下，饿汉式是线程安全的，因为实例在类加载时就已经创建好了，不存在并发访问创建实例的问题。

懒汉式

懒汉式是指在第一次使用时才会创建单例实例，实例的创建被延迟到第一次使用 getInstance() 方法时。

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

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) { // 第一次使用时才会创建单例实例
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;

示例：

#include <iostream>  
  
class Singleton {  
private:  
    static Singleton* instance;  
    Singleton() {} // 私有构造函数  
  
public:  
    static Singleton* getInstance() {  
        if (instance == nullptr) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
  
    void doSomething() {  
        std::cout << "Doing something..." << std::endl;  
    }  
};  
  
Singleton* Singleton::instance = nullptr; // 静态成员变量初始化  
  
int main() {  
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();  
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();  
  
    if (s1 == s2) {  
        std::cout << "s1 and s2 are the same instance" << std::endl;  
    }  
  
    s1->doSomething();  
    return 0;  
}

s1 and s2 are the same instance
Doing something...

懒汉式在多线程环境下是不安全的，因为多个线程可能同时进入判断条件，导致创建多个实例。因此，需要通过加锁等机制来保证线程安全:

 static std::mutex mtx;
 static Singleton* instance;
 
 Singleton* Singleton::getInstance() {
 	// 使用互斥锁（`std::mutex`）来保证只有一个线程能够创建实例。
     std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
     if (instance == nullptr) {
         instance = new Singleton();
     }
     return instance;
 }

为了避免每次调用都加锁，产生额外的性能开销，可以在加锁的基础上，进行双重检查：

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

饿汉式 v.s. 懒汉式

在饿汉式单例模式中，单例的实例在程序启动时就立即创建。这种方式的好处在于它的简单性和线程安全性（无需额外的同步机制）。

在懒汉式单例模式中，单例的实例是在首次被需要时才被创建。这种方式的好处在于它可以延迟实例的创建，从而减少程序启动时的资源消耗和初始化时间。