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单例模式（C++）

news 2025/9/10 8:15:23

单例模式

一、核心原理
二、常见的单例模式实现方式
- 1. 懒汉式（Lazy Initialization）
- 2. 饿汉式（Eager Initialization）
三、关键实现细节解析
四、单例模式的适用场景与特点
- 使用场景
- 特点

单例模式是一种常用的设计模式，其核心是确保一个类在全局只有唯一实例，并提供一个全局访问点。

一、核心原理

限制实例化：通过私有化类的构造函数、拷贝构造函数和赋值运算符，禁止外部直接创建实例或复制实例。
唯一实例：在类内部维护一个静态的自身实例指针，确保全局只有一个实例。
全局访问：提供一个静态的公开接口（如 getInstance()），让外部通过该接口获取唯一实例。

二、常见的单例模式实现方式

1. 懒汉式（Lazy Initialization）

实例在第一次被使用时才创建（延迟初始化），节省资源。

#include <QMutex>
#include <QScopedPointer>class Singleton {
public:// 全局访问点：获取唯一实例static Singleton& getInstance() {// 双重检查锁定（DCLP），避免多线程下重复创建if (m_instance.isNull()) {QMutexLocker locker(&m_mutex); // 加锁，确保线程安全if (m_instance.isNull()) {m_instance.reset(new Singleton()); // 首次调用时创建实例}}return *m_instance;}// 示例：单例提供的功能方法void doSomething() {// ... 业务逻辑 ...}private:// 私有化构造函数：禁止外部创建实例Singleton() {}// 私有化拷贝构造和赋值运算符：禁止复制Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;// 静态成员：存储唯一实例static QScopedPointer<Singleton> m_instance;static QMutex m_mutex; // 互斥锁，确保多线程安全
};// 初始化静态成员（类外定义）
QScopedPointer<Singleton> Singleton::m_instance(nullptr);
QMutex Singleton::m_mutex;

2. 饿汉式（Eager Initialization）

实例在程序启动时（类加载时）就创建，避免多线程同步问题，但可能提前占用资源。

class Singleton {
public:// 全局访问点：直接返回预创建的实例static Singleton& getInstance() {static Singleton instance; // 静态局部变量，程序启动时初始化return instance;}void doSomething() {// ... 业务逻辑 ...}private:// 私有化构造函数Singleton() {}// 禁止复制Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

三、关键实现细节解析

私有化构造函数
private 权限的构造函数阻止外部通过 new Singleton() 或 Singleton obj 创建实例，确保实例只能在类内部创建。
禁止复制和赋值
通过 = delete 显式删除拷贝构造函数和赋值运算符，避免外部通过 Singleton obj = Singleton::getInstance() 复制实例，保证唯一性。
静态实例与全局访问
类内部的静态成员（m_instance 或静态局部变量）存储唯一实例，getInstance() 静态方法提供全局访问入口，确保任何地方都能获取同一个实例。
线程安全处理
- 懒汉式中使用 QMutex 加锁，避免多线程同时调用 getInstance() 时创建多个实例（双重检查锁定进一步优化性能）。
- 饿汉式依赖静态变量的初始化特性（C++11 后静态局部变量初始化是线程安全的），无需额外加锁。

四、单例模式的适用场景与特点

使用场景

全局配置管理（如程序的配置类）。
日志工具类（确保日志写入的唯一性）。

//ErrorLogger.h文件
#ifndef ERRORLOGGER_H
#define ERRORLOGGER_H#include <QString>
#include <QMutex>// 错误日志工具类（单例模式）
class ErrorLogger
{
public:// 获取单例实例static ErrorLogger& getInstance();// 禁止拷贝和赋值ErrorLogger(const ErrorLogger&) = delete;ErrorLogger& operator=(const ErrorLogger&) = delete;// 写入错误日志void writeLog(const QString& errorMessage);// 设置日志文件路径（默认当前目录下的error.log）void setLogFilePath(const QString& path);private:// 私有构造函数（单例模式）ErrorLogger();QString m_logFilePath; // 日志文件路径QMutex m_mutex;       // 互斥锁，确保多线程安全
};#endif // ERRORLOGGER_H//ErrorLogger.cpp文件
#include "ErrorLogger.h"
#include <QFile>
#include <QTextStream>
#include <QDateTime>
#include <QDir>
#include <QDebug>ErrorLogger::ErrorLogger()
{// 默认日志路径：当前程序目录下的error.logm_logFilePath = QDir::currentPath() + "/error.log";
}ErrorLogger& ErrorLogger::getInstance()
{static ErrorLogger instance;return instance;
}void ErrorLogger::setLogFilePath(const QString& path)
{m_logFilePath = path;
}void ErrorLogger::writeLog(const QString& errorMessage)
{// 多线程加锁，避免日志写入冲突QMutexLocker locker(&m_mutex);// 获取当前时间戳（格式：yyyy-MM-dd hh:mm:ss）QString timeStamp = QDateTime::currentDateTime().toString("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");// 构建日志内容（时间 + 错误信息）QString logContent = QString("[%1] Error: %2\n").arg(timeStamp).arg(errorMessage);// 打开文件（以追加模式，不存在则创建）QFile file(m_logFilePath);if (!file.open(QIODevice::WriteOnly | QIODevice::Append | QIODevice::Text)) {qDebug() << "无法写入日志文件:" << file.errorString();return;}// 写入日志QTextStream out(&file);out << logContent;file.close();
}//main.cpp文件
// 写入错误日志（包含系统错误信息）ErrorLogger::getInstance().writeLog(QString("文件打开失败: %1（路径：%2）").arg(file.errorString()).arg(file.fileName()));
// 可选：设置自定义日志路径（如程序数据目录）ErrorLogger::getInstance().setLogFilePath(QDir::homePath() + "/myapp/logs/error.log");