设计模式 | 单例模式——饿汉模式 & 懒汉模式

单例模式

一、饿汉模式（Eager Initialization）

1. 定义

类加载时就创建实例，不管你用不用，先创建再说。

2. 特点

• 线程安全（因为类加载是线程安全的）
• 启动时就分配资源，资源消耗可能较大

3. 饿汉单例模式（定义时-类外初始化）

#include 

class TaskQueue {
public:
    // 静态方法：获取唯一实例指针
    static TaskQueue* getInstance() {
        return m_taskQ;  // 返回静态成员变量指针
    }

    // 删除拷贝构造函数：防止复制实例（例如 TaskQueue b = a）
    TaskQueue(const TaskQueue&) = delete;

    // 删除赋值运算符：防止赋值复制（例如 a = b）
    TaskQueue& operator=(const TaskQueue&) = delete;

private:
    // 默认构造函数私有化：禁止类外部构造对象
    // 外部无法通过 new TaskQueue() 或 TaskQueue t; 构造对象
    TaskQueue() = default;

    // 静态成员变量声明：用于保存唯一实例的指针
    static TaskQueue* m_taskQ;
};

// ⚠️ 类外定义并初始化静态成员变量：这一行非常关键！
// ✅ 这是 TaskQueue 类的“静态成员变量定义+初始化”
// ✅ new TaskQueue 调用了 private 构造函数，但因为这是类自己的代码（初始化自己的静态成员），所以**允许访问私有成员**
TaskQueue* TaskQueue::m_taskQ = new TaskQueue;
// --------------------------------------------
// ⬆️ 虽然这行“写在类外”（语法上），但它是类的一部分（静态成员初始化），它仍然被认为是类自己的代码（类内部行为），所以可以访问私有构造函数。
// C++ 标准允许它访问类的 private 构造函数。
// 所以不会报错，而是合法的。

int main() {
    // 获取单例对象的指针
    TaskQueue* q1 = TaskQueue::getInstance();
    TaskQueue* q2 = TaskQueue::getInstance();

    // 打印地址验证是否为同一实例
    std::cout << "q1 地址: " << q1 << std::endl;
    std::cout << "q2 地址: " << q2 << std::endl;
	// 输出地址肯定一样
    return 0;
}

注意：

// 静态成员变量定义和初始化（在类外完成）
TaskQueue* TaskQueue::m_taskQ = new TaskQueue;

这句代码在程序启动时就执行，立即创建了 TaskQueue 的唯一实例：

1. 是静态变量，生命周期贯穿整个程序；
2. 实例在任何 getInstance() 调用之前就已创建完成；
3. getInstance() 只是简单地返回这个已创建好的指针。

因此，它就是一个标准的饿汉单例模式实现。

4. 实现细节

1. 为什么TaskQueue* TaskQueue::m_taskQ = new TaskQueue;属于类内访问，可以访问private构造函数？
   是因为它是“静态变量”？“私有变量”？还是“初始化”这件事本身？

条件	是否是关键	解释
✅ 这是类的成员定义	✅ 是关键	初始化 TaskQueue::m_taskQ 是类的一部分，因此有权限访问类的私有成员
是 static 成员	❌ 不是核心原因	虽然需要类外初始化，但并不是 static 带来了访问权限
是 private 变量	❌ 更不是原因	private 表示“只能被类的代码访问”，而这行被视为类的代码

不管是 static 还是 private，关键原因在于：这是类的“成员变量定义”，属于类的内部实现，因此它拥有类的访问权限。

2. 延申：若把 new TaskQueue 写在 main() 中

❌ 非法代码（main 函数中访问私有构造函数）

int main() {
    TaskQueue* q = new TaskQueue();  // ❌ 错！构造函数是 private
}

为什么报错？

• main() 是类外部的普通代码。
• 它不是类成员，不被视为类内部实现。
• 因此没有权限访问私有构造函数，编译器会直接报错。

✅ 合法代码（类外定义静态成员时调用私有构造函数）

TaskQueue* TaskQueue::m_taskQ = new TaskQueue;  // ✅ 对！

为什么合法？

• 这是类在定义和初始化自己的静态成员变量。
• 虽然代码写在类外，但它被视为类的一部分（属于 TaskQueue 类实现）。
• 所以有权访问 private 构造函数。
• C++ 语法明确允许这种访问。

二、懒汉模式（Lazy Initialization）

1. 定义

在第一次访问时才创建实例，延迟到真正需要的时候再进行初始化。

2. 特点

• 延迟加载：只有在首次调用 getInstance() 时才会创建实例，节省系统资源；
• 线程不安全（默认实现），但可以通过加锁、双重检查、std::call_once 等方式实现线程安全；
• 相较于饿汉模式，更灵活、更节省资源，但实现稍复杂。

3. 懒汉单例模式（第一次调用时-初始化）

#include 

class TaskQueue {
public:
    // ❌ 没有加锁，线程不安全 ******不同点******
    static TaskQueue* getInstance() {
        if (m_taskQ == nullptr) {    
            m_taskQ = new TaskQueue(); // ❌不安全，可能多个线程同时执行这里，创建多个实例
        }
        return m_taskQ;
    }

    TaskQueue(const TaskQueue&) = delete;
    TaskQueue& operator=(const TaskQueue&) = delete;

private:
    TaskQueue() = default;
    static TaskQueue* m_taskQ;
};

// 初始化静态实例指针 ******不同点******
TaskQueue* TaskQueue::m_taskQ = nullptr;

int main() {
    TaskQueue* q1 = TaskQueue::getInstance();
    TaskQueue* q2 = TaskQueue::getInstance();

    std::cout << "q1 地址: " << q1 << std::endl;
    std::cout << "q2 地址: " << q2 << std::endl;
	// 输出地址一样（如果线程不冲突）
    return 0;
}

4. 多线程不安全（需加锁）

线程冲突时，多个线程可能在getInstance()创建多个对象，需要加锁！！！

三、对比 & 使用建议

对比项	饿汉模式（Eager Singleton）	懒汉模式（Lazy Singleton）
实例创建时机	程序启动时 / 类加载时立即创建	第一次调用 getInstance() 时才创建
资源占用	无论是否使用都会占用资源	仅在需要时才占用资源，更节省内存
线程安全	✅ 天然线程安全（由 C++ 静态初始化保证）	❌ 默认线程不安全，需手动加锁处理
实现难度	实现简单，逻辑清晰	实现复杂（涉及锁、双检、或 call_once）
性能开销	启动时略高，占用资源可能浪费	每次调用 getInstance() 可能涉及锁（效率略低）
适用场景	实例始终会用到，资源占用可接受	实例可能不一定会用到，或实例化代价较高
常用实现	类外初始化静态成员指针（如：new Singleton;）	内部判断是否为 null + 加锁后 new Singleton();
示例构造代码	TaskQueue* m = new TaskQueue;（类外直接构造）	if (!m) m = new TaskQueue;（函数内延迟构造）
可扩展性	不容易扩展为参数化构造	初始化时可自定义参数（但需额外设计）

使用场景	推荐模式
实例一定会被频繁使用	✅ 饿汉模式（简单稳定）
实例创建代价高或可能不用	✅ 懒汉模式（延迟创建）
多线程访问高频	✅ 饿汉 或 call_once 懒汉
希望按需控制生命周期	✅ 懒汉更灵活