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：

1. 私有构造函数：防止外部直接实例化

2. 静态私有实例：保存唯一实例

3. 静态公有访问方法：提供全局访问点

4. 删除拷贝构造和赋值运算符：防止意外复制

5. 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 

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 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：

• 简洁优雅：最少的代码实现

• 线程安全：C++11标准保证静态局部变量初始化线程安全

• 自动销毁：程序结束时自动调用析构函数

• 延迟初始化：首次调用时创建

单例模式的优缺点

优点：

1. 严格控制实例数量

2. 全局访问点简化资源访问

3. 避免频繁创建销毁对象

4. 减少全局变量污染

缺点：

1. 违反单一职责原则（同时管理自身和业务）

2. 单元测试困难（全局状态）

3. 可能隐藏类间依赖关系

4. 多线程环境需要特殊处理

替代方案与最佳实践

1. 依赖注入：通过构造函数传递单例对象

2. 服务定位器模式：集中管理服务对象

3. 模块模式：使用命名空间组织功能

使用建议：

• 优先选择C++11静态局部变量实现

• 仅在真正需要全局唯一实例时使用

• 考虑对象的生命周期管理

• 多线程环境下务必保证线程安全

总结

单例模式是解决全局唯一对象访问的有效方案，在C++中实现时需要考虑线程安全、资源管理和生命周期等问题。现代C++（C++11及以上）通过静态局部变量提供了简洁安全的实现方式。在实际项目中，应权衡单例模式的优缺点，避免滥用导致代码难以测试和维护。

"单例模式是全局变量的'文明版'，它保留了全局访问的优点，同时避免了全局变量的缺点。" - Robert C. Martin