C++设计模式系列：单例模式的实现与应用

单例模式（Singleton Pattern）是设计模式中最为经典和常用的模式之一，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在C++中实现单例模式时，需要考虑线程安全、懒加载以及资源管理等问题。

单例模式的核心概念

单例模式的核心思想是通过控制类的实例化过程，确保整个程序运行期间该类只有一个实例存在。这种模式通常用于系统配置管理器、日志记录器等场景。

1. 基本实现

以下是单例模式的一个基本实现：

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance; // 静态指针，存储唯一实例
    Singleton() {}              // 私有构造函数，防止外部实例化
public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton(); // 懒加载，首次调用时创建实例
        }
        return instance;
    }

    ~Singleton() { /* 析构函数 */ }
};

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

2. 线程安全问题

上述实现存在线程安全问题，当多个线程同时调用getInstance()方法时，可能会创建多个实例。为了解决这个问题，可以使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）或C++11及以后的标准提供的线程安全初始化方法。

双重检查锁定

#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); // 加锁
            if (instance == nullptr) { // 第二次检查
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }

    ~Singleton() {}
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;

C++11静态局部变量

C++11标准规定静态局部变量的初始化是线程安全的，因此可以简化代码：

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // 静态局部变量，线程安全
        return instance;
    }
};

3. 资源管理与析构

单例对象的生命周期通常与程序的生命周期一致，但在某些情况下可能需要手动释放资源。可以通过智能指针或显式销毁来管理资源。

使用智能指针

#include <memory>

class Singleton {
private:
    static std::unique_ptr<Singleton> instance;
    Singleton() {}
public:
    static Singleton& getInstance() {
        if (!instance) {
            instance.reset(new Singleton());
        }
        return *instance;
    }

    static void destroy() {
        instance.reset(); // 手动销毁单例对象
    }
};

std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;

单例模式的应用场景

1. 日志记录：日志系统通常只需要一个全局的日志记录器。
2. 配置管理：应用程序中往往只需要一个配置管理器。
3. 数据库连接池：连接池通常以单例形式存在，以便全局共享。
4. 线程池：线程池通常是单例的，避免重复创建和销毁线程。

单例模式的优缺点

优点

• 提供了对唯一实例的受控访问。
• 减少了命名空间的污染。
• 全局化的访问点使得管理和使用更加方便。

缺点

• 违反了单一职责原则，限制了类的扩展性。
• 难以测试，因为单例常常引入全局状态。
• 在多线程环境中需要额外处理线程安全问题。

流程图：单例模式的获取流程

sequenceDiagram
    participant Caller
    participant Singleton
    Caller->>Singleton: 调用getInstance()
    alt 如果实例不存在
        Singleton->>Singleton: 创建新实例
    end
    Singleton-->>Caller: 返回实例