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：
私有构造函数：防止外部直接实例化
静态私有实例：保存唯一实例
静态公有访问方法：提供全局访问点
删除拷贝构造和赋值运算符：防止意外复制
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 <mutex>
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<std::mutex> 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：
严格控制实例数量
全局访问点简化资源访问
避免频繁创建销毁对象
减少全局变量污染
缺点：
违反单一职责原则（同时管理自身和业务）
单元测试困难（全局状态）
可能隐藏类间依赖关系
多线程环境需要特殊处理
替代方案与最佳实践
依赖注入：通过构造函数传递单例对象
服务定位器模式：集中管理服务对象
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