C++单例模式的几种实现方法详解

什么是单例模式

单例模式是一种创建型设计模式，它保证一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

为什么要用单例模式

在实际开发过程中，有些类只需要有一个实例，如果多次实例化，会造成资源浪费。同时保持全局唯一的实例，方便对该实例进行管理和控制，提高程序的可维护性和可拓展性。

实现方法

饿汉式（线程安全）

饿汉式是一种比较常见的单例模式实现方法，在类加载时就创建唯一实例，并使用静态变量进行保存。该方法的优点是线程安全，调用速度快，缺点是如果该对象不需要使用，也会进行创建，浪费内存。

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（线程不安全）

懒汉式是一种比较常见的单例模式实现方法，在第一次使用时才创建。该方法的优点是节省内存，缺点是没有考虑线程安全问题。

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;

懒汉式（线程安全）

懒汉式也可以实现线程安全，常见的实现方法是使用互斥锁或使用double-checked locking技术（DCLP）。

互斥锁

示例代码：

#include <mutex>

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

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

double-checked locking技术

示例代码：

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

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

懒汉式（线程安全，且能够多线程并发）

懒汉式（线程安全，且能够多线程并发）是一种较为复杂的实现方法，常见的实现方法是使用C++11的特性-局部静态变量。该方法能够实现懒加载，线程安全，且能够多线程并发。

示例代码：

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton& rhs) {}
    Singleton& operator=(const Singleton& rhs) {}
};

总结

单例模式是一种非常实用的设计模式，可以减少系统内部的重复实例化，降低系统开销，提高程序的可维护性和可拓展性。在使用时需要注意线程安全问题，在不同的线程环境中选择不同的单例实现方法。