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深入浅出设计模式——创建型模式之单例模式 Singleton

news 2025/8/2 12:35:21

文章目录

“天上天下，唯我独尊”——单例模式
单例模式简介
单例模式结构
饿汉式
懒汉式
客户端示例
- 运行结果
单例模式总结
构建型模式 Creational Patterns 小结 Summary

代码仓库

“天上天下，唯我独尊”——单例模式

你能在电脑上调出两个Windows任务管理器吗？
假设能，如果两个管理器显示的数据相同，那何必要存在两个呢？
如果两个管理器显示的数据不同，那我该相信哪一个呢？

试试看，应该有且仅有一个吧？一个系统里有且仅有一个Windows任务管理器实例供外界访问 。如何保证系统里有且仅有一个实例对象呢？并且能够供外界访问？你可以在系统里定义一个统一的全局变量，但这并不能防止创建多个对象（想一想，为什么？）这就是单例模式的典型应用。

对于一个软件系统中的某些类来说，只有一个实例很重要。假设Windows系统上可以同时调出两个Windows任务管理器，这两个任务管理器显示的都是同样的信息，那势必造成内存资源的浪费；如果这两个任务管理器显示的是不同的信息，这也给用户带来了困惑，到底哪一个才是真实的状态？

单例模式简介

单例模式定义：
确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个唯一实例。

在这里插入图片描述

单例模式结构

单例模式结构非常简单，其UML图如下所示，只包含一个类，即单例类。为防止创建多个对象，其构造函数必须是私有的（外界不能访问）。另一方面，为了提供一个全局访问点来访问该唯一实例，单例类提供了一个公有方法getInstance来返回该实例。

在这里插入图片描述

饿汉式

饿汉式：变量在声明时便初始化。

// 饿汉式（立即加载）
// 饿汉式（Hungry Singleton）：程序启动时立即创建对象
class Singleton_Hungry {
public:static Singleton_Hungry* getInstance() {std::cout << "\n[Hungry] 获取单例实例" << std::endl;static Singleton_Hungry instance; // 推荐方法，更安全更现代化return &instance;}void doSomething() const {std::cout << "\n[Hungry] 正在执行任务..." << std::endl;}private:// 禁止外界创建新的实例（私有构造、删除拷贝构造和拷贝赋值）。Singleton_Hungry() {std::cout << "\n[Hungry] 构造函数调用" << std::endl;}~Singleton_Hungry() {std::cout << "\n[Hungry] 析构函数调用" << std::endl;}Singleton_Hungry(const Singleton_Hungry&) = delete;Singleton_Hungry& operator=(const Singleton_Hungry&) = delete;// static Singleton_Hungry* instance;
};// 静态成员初始化 ⚠️头文件定义静态变量，错误！
// 根本原因：违反了单一定义规则（One Definition Rule, ODR）
// 你在头文件中定义了一个静态变量，头文件会被多个.cpp文件包含，这就导致在每个.cpp文件中都定义了一遍，最终会导致链接时的冲突，出现重复定义（multiple definition）错误。
// Singleton_Hungry* Singleton_Hungry::instance = new Singleton_Hungry();

可以看到，我们将构造方法定义为 private，这就保证了其他类无法实例化此类，必须通过 getInstance 方法才能获取到唯一的 instance 实例，非常直观。但饿汉式有一个弊端，那就是即使这个单例不需要使用，它也会在类加载之后立即创建出来，占用一块内存，并增加类初始化时间。就好比一个电工在修理灯泡时，先把所有工具拿出来，不管是不是所有的工具都用得上。就像一个饥不择食的饿汉，所以称之为饿汉式。

懒汉式

懒汉式：先声明一个空变量，需要用时才初始化。例如：

我们先声明了一个 instance 变量，当需要使用时判断此变量是否已被初始化，没有初始化的话才 new 一个实例出来。就好比电工在修理灯泡时，开始比较偷懒，什么工具都不拿，当发现需要使用螺丝刀时，才把螺丝刀拿出来。当需要用钳子时，再把钳子拿出来。就像一个不到万不得已不会行动的懒汉，所以称之为懒汉式。

懒汉式解决了饿汉式的弊端，好处是按需加载，避免了内存浪费，减少了类初始化时间。

Singleton.h

// 确保一个类只有一个实例。
// 提供全局访问点，让用户方便访问// 懒汉式（线程安全，推荐写法）
// 懒汉式（Lazy Singleton）：延迟创建对象（用时才创建）
class Singleton_Lazy {
public:// 第一次 调用时，执行内部的 lambda 表达式，创建一个新的单例对象。// 后续所有次 调用时，都直接跳过这个 lambda，不再执行创建对象的操作。static Singleton_Lazy* getInstance() {// template< class Callable, class... Args >// void call_once(std::once_flag& flag, Callable&& f, Args&&... args);// 确保给定的**可调用对象（如lambda表达式）**仅被调用一次。// 如果多个线程同时执行该行代码，也能确保只有一个线程实际执行了初始化操作，其他线程则会等待，直到第一次调用完成后再继续执行，且不会重复执行初始化操作。// flag：一个标志位，标识对应的初始化是否已经完成。// Callable：一个可调用对象（比如lambda表达式或函数），代表真正要执行的初始化动作。std::call_once(initFlag, []() {std::cout << "\n[Lazy] 创建新的实例" << std::endl;// instance = std::make_unique<Singleton_Lazy>(); // ✅ 更安全，更推荐instance.reset(new Singleton_Lazy());});std::cout << "\n[Lazy] 获取单例实例" << std::endl;return instance.get();}void doSomething() const {std::cout << "\n[Lazy] 正在执行任务..." << std::endl;}private:Singleton_Lazy() {std::cout << "\n[Lazy] 构造函数调用" << std::endl;}~Singleton_Lazy() {std::cout << "\n[Lazy] 析构函数调用" << std::endl;}// 拷贝构造函数（Copy Constructor）// 当使用一个已存在对象初始化另一个新对象时，调用拷贝构造函数Singleton_Lazy(const Singleton_Lazy&) = delete;// 拷贝赋值运算符（Copy Assignment Operator）// 当使用一个已存在的对象去给另一个已存在的对象赋值时调用。Singleton_Lazy& operator=(const Singleton_Lazy&) = delete;// ⚠️一定要保留这两个声明！static std::unique_ptr<Singleton_Lazy> instance;static std::once_flag initFlag;// 🔑加上这一句：// 允许 std::unique_ptr 调用私有析构函数friend class std::default_delete<Singleton_Lazy>;
};

Singleton.cpp

#include "Singleton.h"std::unique_ptr<Singleton_Lazy> Singleton_Lazy::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton_Lazy::initFlag;

客户端示例

#define THREAD_NUM 6
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>
#include "Singleton.h"pid_t GetThreadId() {// syscall 是一个系统调用接口，可以让你直接调用操作系统提供的底层功能。// SYS_gettid 是 Linux 系统调用号，表示获取当前线程的线程ID（gettid）。// syscall(SYS_gettid) 实际上是执行 gettid() 系统调用的操作，返回当前线程的线程ID。// 该调用返回当前线程的线程ID，通常与 pthread_self() 的返回值相同，但是 gettid 是返回内核级线程ID，而 pthread_self() 返回的是 POSIX 线程库级别的线程ID// SYS_gettid 是一个常量，表示获取当前线程ID的系统调用号。// 每个系统调用都有一个唯一的编号（常量），用于标识该系统调用。SYS_gettid 对应的是获取线程ID的操作。return syscall(SYS_gettid);
}void* callSingleton_Lazy(void* arg) {int threadID = *(int*)arg;Singleton_Lazy *s = Singleton_Lazy::getInstance();printf("[Lazy] 线程编号: %d, 实例地址: %d\n", threadID, GetThreadId());// printf("[Hungry] 线程编号: %d, 实例地址: %p\n", threadID, s);return 0;
}void* callSingleton_Hungry(void* arg) {// 将arg 从 void* 类型的通用指针强制转换成 int*类型的指针, 然后对转换后的指针解引用，取出实际的整型数值（即线程编号）。int threadID = *(int*)arg;Singleton_Hungry *s = Singleton_Hungry::getInstance();printf("[Hungry] 线程编号: %d, 实例地址: %d\n", threadID, GetThreadId());// printf("[Hungry] 线程编号: %d, 实例地址: %p\n", threadID, s);return 0;
}int main() {pthread_t threads_pool[THREAD_NUM];int tids[THREAD_NUM], params[THREAD_NUM];for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {params[i] = i; // 独立参数，避免竞争/*int pthread_create(pthread_t *restrict thread,const pthread_attr_t *restrict attr,void *(*start_routine)(void *),void *restrict arg);*/// 前半部分线程调用懒汉式单例if(i < THREAD_NUM / 2)tids[i] = pthread_create(&threads_pool[i], NULL, callSingleton_Lazy, (void*)&params[i]);else // 后半部分线程调用饿汉式单例tids[i] = pthread_create(&threads_pool[i], NULL, callSingleton_Hungry, (void*)&params[i]);// On success, pthread_create() returns 0; on error, it returns an error number, and the contents of *thread are undefined.if(tids[i]) {printf("Error: unable to create thread.\n");exit(-1);}}for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {// On success, pthread_join() returns 0; on error, it returns an error numbertids[i] = pthread_join(threads_pool[i], NULL);if(tids[i]) {printf("Error: unable to join thread.\n");exit(-1);}}printf("main exiting.\n");return 0;
}