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第一章：单例模式 - 武林中的孤高剑客

news 2025/10/6 7:45:22

第一章：单例模式 - 武林中的孤高剑客

故事延续：孤高剑客的独门绝技

在架构老人宣布华山论剑开始后，Singleton（单例模式）率先踏出一步，他那如雪的白衣在圣殿的流光中显得格外耀眼。周围的高手们都不禁为他那"唯我独尊"的气场所震慑。

“既然盟主有令，那就由在下先来展示独门绝技吧。” Singleton声音清冷，却带着不容置疑的权威，“在软件江湖中，有些存在天生就该独一无二——配置管理器、线程池、日志系统、数据库连接池…这些核心资源若被随意创建，必将导致系统混乱！”

单例模式的武学精要

核心心法

Singleton缓缓抬起右手，掌心浮现出一团旋转的二进制代码：“我的武学核心只有八字真言——确保一类仅存一实例。通过私有化构造函数，让外界无法随意创建，再提供统一的访问入口，让天下英雄都能找到这唯一的我。”

C++ 代码实战

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <memory>// 单例模式 - 懒汉式（线程安全版本）
class Singleton {
private:// 私有的静态实例指针static Singleton* instance;static std::mutex mutex_;// 私有构造函数，防止外部实例化Singleton() {std::cout << "Singleton 实例被创建！" << std::endl;}// 私有拷贝构造和赋值操作，防止复制Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;public:// 公有静态方法，提供全局访问点static Singleton* getInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}return instance;}// 业务方法示例void doSomething() {std::cout << "Singleton 正在处理业务..." << std::endl;}// 释放资源static void destroyInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (instance != nullptr) {delete instance;instance = nullptr;std::cout << "Singleton 实例已被销毁！" << std::endl;}}
};// 静态成员初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;// 现代C++推荐写法 - 使用局部静态变量（C++11线程安全）
class ModernSingleton {
private:ModernSingleton() {std::cout << "ModernSingleton 实例被创建！" << std::endl;}public:static ModernSingleton& getInstance() {static ModernSingleton instance;  // C++11保证线程安全return instance;}void doSomething() {std::cout << "ModernSingleton 正在处理业务..." << std::endl;}// 删除拷贝构造和赋值操作ModernSingleton(const ModernSingleton&) = delete;ModernSingleton& operator=(const ModernSingleton&) = delete;
};// 模板单例 - 让单例模式更通用
template<typename T>
class TemplateSingleton {
protected:TemplateSingleton() = default;virtual ~TemplateSingleton() = default;public:static T& getInstance() {static T instance;return instance;}TemplateSingleton(const TemplateSingleton&) = delete;TemplateSingleton& operator=(const TemplateSingleton&) = delete;
};// 具体业务类使用模板单例
class ConfigurationManager : public TemplateSingleton<ConfigurationManager> {friend class TemplateSingleton<ConfigurationManager>;private:std::string configData;ConfigurationManager() {configData = "默认配置数据";std::cout << "配置管理器初始化完成！" << std::endl;}public:void loadConfig(const std::string& data) {configData = data;std::cout << "配置已加载: " << configData << std::endl;}std::string getConfig() const {return configData;}
};

UML 武功秘籍图

实战演练：日志系统的单例实现

#include <fstream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <iomanip>// 实战案例：日志系统单例
class Logger : public TemplateSingleton<Logger> {friend class TemplateSingleton<Logger>;private:std::ofstream logFile;bool enabled;Logger() : enabled(true) {logFile.open("application.log", std::ios::app);if (!logFile.is_open()) {std::cerr << "无法打开日志文件！" << std::endl;enabled = false;}}~Logger() {if (logFile.is_open()) {logFile.close();}}std::string getCurrentTime() {auto now = std::chrono::system_clock::now();auto time_t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);std::stringstream ss;ss << std::put_time(std::localtime(&time_t), "%Y-%m-%d %H:%M:%S");return ss.str();}public:void log(const std::string& message, const std::string& level = "INFO") {if (!enabled) return;std::string logEntry = "[" + getCurrentTime() + "] " + "[" + level + "] " + message;std::cout << logEntry << std::endl;if (logFile.is_open()) {logFile << logEntry << std::endl;logFile.flush();}}void error(const std::string& message) {log(message, "ERROR");}void warn(const std::string& message) {log(message, "WARN");}void info(const std::string& message) {log(message, "INFO");}
};// 数据库连接池单例
class DatabaseConnectionPool {
private:static DatabaseConnectionPool* instance;static std::mutex mutex_;int maxConnections;int currentConnections;DatabaseConnectionPool() : maxConnections(10), currentConnections(0) {std::cout << "数据库连接池初始化，最大连接数: " << maxConnections << std::endl;}public:static DatabaseConnectionPool* getInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (instance == nullptr) {instance = new DatabaseConnectionPool();}return instance;}bool acquireConnection() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (currentConnections < maxConnections) {currentConnections++;std::cout << "获取数据库连接成功，当前连接数: " << currentConnections << std::endl;return true;}std::cout << "获取数据库连接失败，连接池已满！" << std::endl;return false;}void releaseConnection() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (currentConnections > 0) {currentConnections--;std::cout << "释放数据库连接，当前连接数: " << currentConnections << std::endl;}}static void destroyInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (instance != nullptr) {delete instance;instance = nullptr;}}
};DatabaseConnectionPool* DatabaseConnectionPool::instance = nullptr;
std::mutex DatabaseConnectionPool::mutex_;

单例模式的招式解析

招式一：懒汉式（Lazy Initialization）

// 特点：需要时才创建实例，节省资源
// 缺点：需要处理多线程安全问题

招式二：饿汉式（Eager Initialization）

class EagerSingleton {
private:static EagerSingleton instance;  // 类加载时就初始化EagerSingleton() = default;public:static EagerSingleton& getInstance() {return instance;  // 直接返回已创建的实例}
};// 静态成员定义
EagerSingleton EagerSingleton::instance;

招式三：Meyer’s Singleton（推荐）

// 利用C++11的局部静态变量线程安全特性
// 简洁、安全、自动销毁

完整测试代码

// 测试单例模式的各种实现
void testSingletonPattern() {std::cout << "=== 单例模式测试开始 ===" << std::endl;// 测试传统单例Singleton* s1 = Singleton::getInstance();Singleton* s2 = Singleton::getInstance();std::cout << "传统单例地址比较: " << (s1 == s2 ? "相同" : "不同") << std::endl;// 测试现代单例ModernSingleton& ms1 = ModernSingleton::getInstance();ModernSingleton& ms2 = ModernSingleton::getInstance();std::cout << "现代单例地址比较: " << (&ms1 == &ms2 ? "相同" : "不同") << std::endl;// 测试模板单例 - 配置管理器ConfigurationManager& config1 = ConfigurationManager::getInstance();ConfigurationManager& config2 = ConfigurationManager::getInstance();config1.loadConfig("服务器配置数据");std::cout << "配置数据: " << config2.getConfig() << std::endl;std::cout << "配置管理器地址比较: " << (&config1 == &config2 ? "相同" : "不同") << std::endl;// 测试日志系统Logger::getInstance().info("应用程序启动");Logger::getInstance().warn("内存使用率较高");Logger::getInstance().error("数据库连接失败");// 测试数据库连接池DatabaseConnectionPool* pool = DatabaseConnectionPool::getInstance();pool->acquireConnection();pool->acquireConnection();pool->releaseConnection();std::cout << "=== 单例模式测试结束 ===" << std::endl;
}int main() {testSingletonPattern();return 0;
}