C++单例模式教学指南

C++单例模式完整教学指南

📚 目录

1. [单例模式基础概念]
2. [经典单例实现及问题]
3. [现代C++推荐实现]
4. [高级话题：双重检查锁]
5. [实战应用与最佳实践]
6. [总结与选择指南]

1. 单例模式基础概念

1.1 什么是单例模式？

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。

1.2 应用场景

• 日志系统：全局统一的日志记录器
• 配置管理：程序配置信息的统一管理
• 数据库连接池：管理数据库连接资源
• 线程池：管理线程资源
• 缓存系统：全局数据缓存

1.3 单例模式的核心要求

• ✅ 只能有一个实例
• ✅ 提供全局访问点
• ❌ 禁止拷贝构造
• ❌ 禁止赋值操作
• ⚡ 线程安全（多线程环境）

2. 经典单例实现及问题

2.1 朴素实现（❌ 有问题）

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() = default;
    
public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();  // 线程不安全！
        }
        return instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;

问题分析：

• ❌ 线程不安全：多线程可能创建多个实例
• ❌ 内存泄漏：new出来的对象永远不会被delete
• ❌ 没有禁止拷贝和赋值

2.2 加锁版本（✅ 安全但性能差）

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mtx;
    Singleton() = default;
    
public:
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    
    static Singleton* getInstance() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 每次都加锁，性能差
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

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

改进点：

• ✅ 线程安全
• ✅ 禁止拷贝和赋值
• ❌ 性能问题：每次调用都要加锁
• ❌ 仍有内存泄漏

3. 现代C++推荐实现

3.1 Meyers单例（⭐ 最推荐）

class Singleton {
private:
    Singleton() = default;
    ~Singleton() = default;
    
public:
    // 禁止拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // C++11起线程安全
        return instance;
    }
    
    // 示例方法
    void doSomething() {
        std::cout << "Singleton working..." << std::endl;
    }
};

优势分析：

• ✅ 线程安全：C++11保证局部静态变量初始化的线程安全性
• ✅ 性能优秀：初始化后调用无需加锁
• ✅ 自动析构：程序结束时自动清理
• ✅ 代码简洁：无需手动管理内存和锁

3.2 通用单例模板（⭐ 可复用）

template <typename T>
class Singleton {
public:
    // 禁止拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    
    static T& getInstance() {
        static T instance;
        return instance;
    }
    
protected:
    Singleton() = default;
    ~Singleton() = default;
};

// 使用示例
class Logger : public Singleton<Logger> {
    friend class Singleton<Logger>;  // 允许Singleton访问私有构造函数
    
private:
    Logger() { 
        std::cout << "Logger initialized" << std::endl; 
    }
    
public:
    void log(const std::string& message) {
        std::cout << "[LOG] " << message << std::endl;
    }
};

// 使用方法
int main() {
    Logger::getInstance().log("Hello Singleton!");
    return 0;
}

4. 高级话题：双重检查锁

4.1 什么是双重检查锁（DCLP）？

双重检查锁定（Double-Checked Locking Pattern）是一种优化技术，减少锁的使用频率：

if (!instance) {           // 第一次检查（无锁）
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    if (!instance) {       // 第二次检查（加锁后）
        instance = new Singleton();
    }
}

4.2 传统DCLP的问题

class UnsafeSingleton {
private:
    static std::shared_ptr<UnsafeSingleton> instance;
    static std::mutex mtx;
    
public:
    static std::shared_ptr<UnsafeSingleton> getInstance() {
        if (!instance) {  // 问题：可能读到"半成品"对象
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if (!instance) {
                instance = std::make_shared<UnsafeSingleton>();  // 非原子操作
            }
        }
        return instance;
    }
};

问题根源： std::make_shared的执行过程不是原子的：

1. 分配内存
2. 调用构造函数
3. 设置指针值

其他线程可能在步骤2和3之间读到未完全构造的对象！

4.3 安全的DCLP实现

template <typename T>
class SafeDCLPSingleton {
private:
    static std::atomic<std::shared_ptr<T>> instance;
    static std::mutex mtx;
    
protected:
    SafeDCLPSingleton() = default;
    ~SafeDCLPSingleton() = default;
    
public:
    SafeDCLPSingleton(const SafeDCLPSingleton&) = delete;
    SafeDCLPSingleton& operator=(const SafeDCLPSingleton&) = delete;
    
    static std::shared_ptr<T> getInstance() {
        // 原子读取
        auto temp = instance.load(std::memory_order_acquire);
        if (!temp) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            temp = instance.load(std::memory_order_relaxed);
            if (!temp) {
                temp = std::make_shared<T>();
                // 原子写入
                instance.store(temp, std::memory_order_release);
            }
        }
        return temp;
    }
};

// 静态成员定义
template <typename T>
std::atomic<std::shared_ptr<T>> SafeDCLPSingleton<T>::instance{nullptr};

template <typename T>
std::mutex SafeDCLPSingleton<T>::mtx;

5. 实战应用与最佳实践

5.1 日志系统实现

class Logger : public Singleton<Logger> {
    friend class Singleton<Logger>;
    
private:
    std::mutex log_mtx;
    std::ofstream log_file;
    
    Logger() {
        log_file.open("application.log", std::ios::app);
    }
    
    ~Logger() {
        if (log_file.is_open()) {
            log_file.close();
        }
    }
    
public:
    enum LogLevel { INFO, WARNING, ERROR };
    
    void log(LogLevel level, const std::string& message) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(log_mtx);
        
        auto now = std::chrono::system_clock::now();
        auto time_t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
        
        log_file << "[" << std::put_time(std::localtime(&time_t), "%Y-%m-%d %H:%M:%S") << "] ";
        
        switch (level) {
            case INFO: log_file << "[INFO] "; break;
            case WARNING: log_file << "[WARN] "; break;
            case ERROR: log_file << "[ERROR] "; break;
        }
        
        log_file << message << std::endl;
        log_file.flush();
    }
};

// 使用示例
int main() {
    Logger::getInstance().log(Logger::INFO, "Application started");
    Logger::getInstance().log(Logger::ERROR, "Something went wrong");
    return 0;
}

5.2 配置管理器

class ConfigManager : public Singleton<ConfigManager> {
    friend class Singleton<ConfigManager>;
    
private:
    std::unordered_map<std::string, std::string> config_data;
    mutable std::shared_mutex config_mtx;
    
    ConfigManager() {
        loadFromFile("config.ini");
    }
    
    void loadFromFile(const std::string& filename) {
        // 简化的配置文件加载逻辑
        config_data["database_url"] = "localhost:3306";
        config_data["max_connections"] = "100";
        config_data["debug_mode"] = "true";
    }
    
public:
    std::string getValue(const std::string& key, const std::string& default_value = "") const {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(config_mtx);
        auto it = config_data.find(key);
        return (it != config_data.end()) ? it->second : default_value;
    }
    
    void setValue(const std::string& key, const std::string& value) {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(config_mtx);
        config_data[key] = value;
    }
    
    int getIntValue(const std::string& key, int default_value = 0) const {
        std::string str_value = getValue(key);
        return str_value.empty() ? default_value : std::stoi(str_value);
    }
    
    bool getBoolValue(const std::string& key, bool default_value = false) const {
        std::string str_value = getValue(key);
        return str_value == "true" || str_value == "1";
    }
};

5.3 永不销毁的单例（特殊场景）

template <typename T>
class NeverDestroySingleton {
public:
    NeverDestroySingleton(const NeverDestroySingleton&) = delete;
    NeverDestroySingleton& operator=(const NeverDestroySingleton&) = delete;
    
    static T& getInstance() {
        static T* instance = new T();  // 永远不会被析构
        return *instance;
    }
    
protected:
    NeverDestroySingleton() = default;
    ~NeverDestroySingleton() = default;
};

使用场景：

• 防止静态析构顺序问题
• 程序退出时必须保持可用的组件（如日志系统）

注意： 这种方式会导致内存"泄漏"，但在某些场景下是可接受的。

6. 总结与选择指南

6.1 各种实现方式对比

6.2 选择建议

🎯 通用场景（90%的情况）

推荐：Meyers单例或单例模板

class MyClass : public Singleton<MyClass> {
    friend class Singleton<MyClass>;
    // 实现...
};

🎯 高并发系统

推荐：安全DCLP + atomic

• 网络服务器
• 游戏引擎
• 实时系统

🎯 特殊需求

• 需要延迟销毁：NeverDestroy单例
• 需要Mock测试：依赖注入替代单例
• 跨DLL使用：特殊处理或避免使用

6.3 使用注意事项

✅ 最佳实践

1. 优先使用Meyers单例（局部静态变量）
2. 总是禁止拷贝构造和赋值操作
3. 考虑使用模板提高代码复用性
4. 在构造函数中完成所有初始化工作
5. 注意异常安全性

❌ 常见误区

1. 不要手动管理单例的生命周期
2. 不要在单例的析构函数中访问其他单例
3. 避免在单例中使用其他单例（循环依赖）
4. 不要将单例用作全局变量的替代品

6.4 代码模板（直接使用）

// 文件：singleton.h
#pragma once
#include <mutex>
#include <memory>

// 通用单例模板
template <typename T>
class Singleton {
public:
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    Singleton(Singleton&&) = delete;
    Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;
    
    static T& getInstance() {
        static T instance;
        return instance;
    }
    
protected:
    Singleton() = default;
    virtual ~Singleton() = default;
};

// 使用宏简化定义（可选）
#define SINGLETON_CLASS(ClassName) \
    friend class Singleton<ClassName>; \
    private: \
        ClassName(); \
        ~ClassName() = default;