设计模式-单件模式-C++

一、引言

单例模式/单件模式.（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。它的主要目的是控制对某个类的实例化，确保全局只有一个对象可被使用，适用于需要全局共享的对象，如配置文件、数据库连接等。

二、使用场景

1. 全局共享资源：当需要一个全局进入点来操作某个共享资源（例如日志、数据库连接或配置管理器）时，使用单例模式是有效的解决方案。

2. 避免资源浪费：在创建和维护一个对象需要大量资源的情况下，单例模式可以节省内存和处理时间，避免频繁地创建和销毁对象。

3. 限制类的实例数量：在系统中某些类可能从设计上只需一个实例，使用单例模式可以限制并控制其实例化。

4. 协调工作进程：在多线程或多进程环境下，单例模式可以用来提供一个共享控制中心。

三、模式分类

• 懒汉式单例：在需要时进行实例化，适用于实例较大，但对于多线程的支持较弱，容易出错。
• 饿汉式单例：在类加载时立刻创建实例，适用于实例较小，线程安全实现简单。
• 线程安全单例：通过使用锁控制实例化，在多线程环境下安全创建实例。
• 双重检查锁定单例：结合懒汉式和线程安全的特点，确保在多线程情景下，也能保持性能上与安全上的平衡。

四、优缺点

优点

• 控制实例数量：能够限制创建类实例的数量，确保类只有一个实例。
• 全局访问：提供全局访问的点，简化了代码的访问方式。
• 延迟实例化：可以在真正需要用到时才创建实例，相比直接在启动时加载增加了灵活性。

缺点

• 难以测试：单例模式会加难进行单元测试，容易造成依赖回环，影响模块化测试。
• 代码复杂性：在使用不当时，可能增加代码的复杂性（如使用懒汉式时可能导致线程安全问题）。
• 隐藏依赖关系：单例模式的将隐含的依赖关系隐藏在实例中，可能增加代码维护的难度。

五、代码示例

以下是一个简单的单例模式的C++实现示例。

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
private:
    Singleton() { std::cout << "Singleton Instance Created!\n"; }
    ~Singleton() { std::cout << "Singleton Instance Destroyed!\n"; }

    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    static std::once_flag flag_;
    static Singleton* instance_;

    static void create() { instance_ = new Singleton; }

public:
    static Singleton& getInstance() {
        std::call_once(flag_, create);
        return *instance_;
    }

    void operation() const {
        std::cout << "Executing Operation...\n";
    }
};

// 静态成员定义
std::once_flag Singleton::flag_;
Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;

int main() {
    Singleton::getInstance().operation();
    return 0;
}

代码解析

1. Singleton：定义了单例类，使用静态指针 instance 来持有单例对象。

2. 构造函数：将构造函数私有化，避免外部直接实例化对象。

3. 静态方法 getInstance()：提供全局访问点，使用双重检查锁定以确保线程安全，在需要时懒惰地创建单例实例。

4. 互斥量：引入标准库中的 mutex 确保在多线程环境中的安全访问。

5. 操作方法：定义了一个示例方法 operation()，用于演示单例对象的使用。

六、模式总结

单例模式是一种常用的设计模式，在需要共享全局实例的场景下具有广泛的应用，包括由于其灵活性和控制实例数量的能力。因此，在适当场合应用单例模式能够提供很多的便利。与此同时，也需考虑到其对模块化测试以及维护的影响，因此在引入时需要注意设计的合理性和需求的明确性。适当应用单例模式可以有效提升系统的设计质量和访问性能。