软件设计模式之单例模式
什么是单例模式
单例设计模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，旨在确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。
简而言之，就是全局只有一个对象实例
实现方式
单例模式的实现方式有多种，以下是几种常见的实现方式：
饿汉式
饿汉式在类加载时就创建实例，因此线程安全，但可能会浪费内存。
//饿汉模式
//核心思想：在类加载时立即初始化单例对象
class SingLeton
{
public:
static SingLeton& getInstance()
{
return _eton;
}
int getData()
{
return _data;
}
protected:
private:
int _data;
private:
static SingLeton _eton;
SingLeton()
:_data(666)
{
std::cout << "单例对象构造" << std::endl;
};
~SingLeton() {};
SingLeton(const SingLeton& eton) = delete;
};
SingLeton SingLeton::_eton;
懒汉式
懒汉式在第一次使用时才创建实例，节省资源，但需要加锁以确保线程安全。
//懒汉模式
//核心思想：延迟初始化，仅在首次请求时创建实例
class SingLeton
{
public:
static SingLeton& getInstance()
{
static SingLeton _eton;
return _eton;
}
int getData()
{
return _data;
}
protected:
private:
int _data;
private:
SingLeton()
:_data(666)
{
std::cout << "单例对象构造" << std::endl;
};
~SingLeton() {};
SingLeton(const SingLeton& eton) = delete;
};
双重检查锁
双重检查锁在多线程环境下性能较好，但实现较复杂。
#include <mutex>
#include <atomic>
class Singleton {
private:
static std::atomic<Singleton*> instance;
static std::mutex mtx;
Singleton() = default;
~Singleton() = default;
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
public:
static Singleton* getInstance() {
Singleton* tmp = instance.load(std::memory_order_acquire);
if (tmp == nullptr) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed);
if (tmp == nullptr) {
tmp = new Singleton();
instance.store(tmp, std::memory_order_release);
}
}
return tmp;
}
};
// 静态成员初始化
std::atomic<Singleton*> Singleton::instance{nullptr};
std::mutex Singleton::mtx;
静态内部类
静态内部类方式既能确保线程安全，又能实现延迟加载。
// Meyer's Singleton (C++11起线程安全)
class Singleton {
public:
static Singleton& getInstance() {
static Singleton instance;
return instance;
}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
Singleton() = default;
~Singleton() = default;
};
枚举
class Singleton {
public:
enum { INSTANCE };
static Singleton& getInstance() {
static Singleton instance;
return instance;
}
void showMessage() {
std::cout << "Singleton instance created" << std::endl;
}
private:
Singleton() {}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
int main() {
Singleton::getInstance().showMessage();
return 0;
}
优缺点
优点
资源管理：单例模式能高效管理共享资源，确保程序内仅存在单一对象实例，从而降低资源消耗和内存占用。
全局访问：该模式提供了全局访问唯一对象的便捷途径，使得程序各模块都能轻松获取和使用该实例。
线程安全：在多线程环境中，单例模式确保仅有一个线程能创建实例，有效防止竞态条件和数据不一致问题。
创建控制：通过集中管理对象创建过程，单例模式避免了程序多处随意实例化对象的情况，提升了代码的可维护性和控制性。
缺点
灵活性不足：单例模式严格限制对象实例化，在特定场景下会降低系统灵活性。若后续开发需要支持多实例，往往需要进行较大规模的代码调整。
高耦合问题：该模式将对象创建与使用紧密绑定，容易导致其他模块过度依赖单例对象，从而影响系统的可维护性和扩展性。
测试复杂度高：单元测试时，单例对象需要特殊的环境模拟，这种额外的测试准备增加了测试工作的难度。
全局状态风险：作为全局访问点，单例对象在多线程或分布式环境中可能引发并发问题，必须谨慎处理线程安全和锁机制。
扩展性受限：当需要增强或修改单例功能时，往往涉及模式重构，这不仅提高了系统复杂度，也增加了维护难度。
使用场景
单例模式适用于以下场景：
- 唯一序列号生成需求
- Web 应用计数器实现
- 数据库连接管理：采用单例模式实现数据库连接管理器，确保应用全局共享单一连接实例，有效减少连接创建和释放的资源消耗
- 配置统一管理：通过单例对象封装应用配置信息，保证系统配置一致性，消除配置冲突风险
- 稀缺资源管控：对文件句柄、网络连接等有限资源，运用单例模式实现统一调度与分配
- 集中日志管理：基于单例模式构建全局日志记录器，为系统各模块提供统一日志接口，便于日志的集中维护
- 应用主控入口：采用单例模式实现应用主入口，确保启动和初始化流程仅执行一次，提供标准化的程序入口