C++单例模式的几种实现方式研究

什么是单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，它保证了一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点。

单例模式的应用场景

单例模式在以下情况下被广泛应用：

• 需要频繁创建对象，但创建的对象又非常耗费系统资源。
• 系统只需要一个实例对象，如系统日志、系统文件等。
• 当多个实例存在时会导致访问的内容不一致或者状态不同步。

如何实现单例模式

饿汉式

饿汉式在类加载时就创建了对象实例，也就是说在调用该类的getInstance()方法之前就已经存在了该对象，因此线程安全，但可能会浪费一部分系统资源。

示例代码：

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;

    Singleton() {}

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

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

懒汉式

懒汉式在调用该类的getInstance()方法时才会创建对象实例，因此只有在使用时才会创建对象，避免了资源浪费，但线程不安全。

示例代码：

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;

    Singleton() {}

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;

双检锁/双重校验锁（DCL）

双检锁是指在getInstance()方法中进行双重判断，避免了资源的浪费和线程不安全问题。

示例代码：

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mutex_;

    Singleton() {}

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

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

静态变量

静态变量在程序启动时就创建了对象实例，因此保证线程安全，但是可能会浪费系统资源。

示例代码：

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

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

const Singleton Singleton::instance = Singleton();

如何选择合适的实现方式

饿汉式在类加载时就创建对象实例，没有线程安全问题，但可能会浪费一部分系统资源。

懒汉式只有在使用时才创建对象实例，避免了资源浪费，但是有线程不安全问题。

双检锁实现了线程安全，也避免了资源浪费。

静态变量在程序启动时就创建了对象实例，保证线程安全，但是可能会浪费系统资源。

因此，需要根据实际情况选择合适的实现方式。

总结

单例模式是一种常用的设计模式，在需要频繁创建对象、系统只需要一个实例对象、多个实例会导致状态不同步等情况下广泛使用。本文介绍了饿汉式、懒汉式、双检锁和静态变量四种实现方式，并分析了它们的优缺点，希望能够对读者有所帮助。