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C++ 单例模式（Singleton）详解

news 2025/10/12 20:12:27

单例模式（Singleton）是一种 设计模式，用于保证某个类只有一个实例，并提供全局访问点。它 不是 C++ 的语言特性，只是通过 C++ 提供的语法和特性实现的一种约定。

在 C++ 中，你甚至不一定需要类：函数和变量可以独立存在，因此单例更多是 组织全局状态的一种方式，类似命名空间。使用类的好处是可以：

封装状态和逻辑。
提供访问控制。
支持成员变量和成员函数。

为什么要用单例？

全局唯一：保证整个程序只有一个实例。
- 配置管理器（ConfigManager）
- 日志系统（Logger）
- 如果使用普通类，每个模块都可能创建自己的实例，这样就无法保证全局状态一致。
  单例模式就是解决这个问题的一种方式。
- 随机数生成器（Random）
支持类特性：可以包含成员变量、函数和访问控制。
延迟初始化：资源只有在第一次访问时分配，避免浪费。
可扩展性：可以随时增加方法或状态管理，而不破坏结构。

单例模式的核心思想

单例模式主要依赖三点：

私有构造函数：防止外部随意创建对象。
静态实例：类内保存一个静态对象，确保唯一性。
静态访问方法：提供全局访问点，返回静态对象引用。

例子：

class Singleton
{
public:// 静态访问该类 GetInstance() 或者简写为 Get() 单例类只有一个实例 所以返回那个实例的引用static Singleton& GetInstance() // 这是一个静态方法 它就是Singleton::GetInstance() 只能调用静态变量 但是s_Instance就是静态变量{return s_Instance;}void Function() {}private:Singleton() {}; // Singleton不能有public的构造函数 否则就会允许被实例化 此处意味着该类不能再外部被实例化static Singleton s_Instance; // 在private 只创建一次单例类的静态实例
};// 静态成员变量必须在类外定义
Singleton Singleton::s_Instance;int main()
{// 通过GetInstance()来访问这个单例 Singleton::GetInstance()就是那个单例Singleton& instance = Singleton::GetInstance(); // 一定要用引用 而不是复制// 假如这个实例想调用什么函数Singleton::GetInstance().Function();instance.Function(); // 和上面那句的含义是一样的
}

GetInstance() 是静态方法，返回 唯一实例 的引用。
构造函数是私有的，防止外部创建多个对象。
静态成员 s_Instance 在类外初始化，只创建一次。

注意：C++ 并不会阻止用户拷贝实例，如果不加限制，多次拷贝会破坏单例约束。

防止拷贝破坏单例

在 C++ 中，类如果没有显式声明拷贝构造函数和赋值运算符，编译器会默认生成它们。

对于单例模式来说：

Random copy = Random::GetInstance(); // 会调用拷贝构造函数

如果允许拷贝，就会产生 新的实例，破坏单例 “全局唯一”的初衷。

解决方法：在 public 里显式删除拷贝构造和赋值运算符：

class Singleton {
public:Singleton(const Singleton&) = delete;            // 删除拷贝构造Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 删除赋值运算符static Singleton& GetInstance() { return s_Instance; }private:Singleton() {}static Singleton s_Instance;
};

这样尝试复制单例对象会直接 编译错误，保证唯一性。

局部静态实例

传统实现需要在类外初始化静态成员，有翻译单元依赖问题。现代 C++ 可以使用 局部静态变量 延迟初始化：

// 随机数生成器
class Random
{
public:Random(const Random&) = delete;// 禁止拷贝static Random& GetInstance(){return s_Instance;}float Float() { return m_RandomGenerator; }private:Random() {}; // 私有构造函数float m_RandomGenerator = 0.5f; // 就假装这个是我们用某种方式生成的随机数static Random s_Instance; // 静态实例
};Random Random::s_Instance;// 传统静态成员初始化int main()
{float number = Random::GetInstance().Float(); // 这样就生成了一个随机数
}

instance 只会创建一次，生命周期长，线程安全（C++11 起）。
使用 Random::Float() 就能获取随机数，无需每次都显式调用 GetInstance()。

使用单例类就是因为它实际上是一个类可以支持所有类特性比如类成员变量

静态方法封装内部实现

为了更方便访问，我们可以把内部成员函数封装起来，通过 静态方法调用：

// 随机数生成器
class Random
{
public:Random(const Random&) = delete;static Random& GetInstance(){return s_Instance;}static float Float() { return GetInstance().IFloat(); } // 静态方法
private:float IFloat() { return m_RandomGenerator; } // 也可以用FloatImpl Impl是implementation 但是IFloat看起来更像一个接口 意思就是Internal内部的Float函数Random() {};float m_RandomGenerator = 0.5f;static Random s_Instance;
};Random Random::s_Instance;int main()
{float number = Random::Float(); // 就不需要再使用Random::GetInstance().Float()
}

好处：

调用方式更简洁：Random::Float()
不需要每次都写 Random::GetInstance().Float()
对外只暴露接口，隐藏内部实现

局部 static 替代类静态成员

传统静态成员：

必须在类外初始化：Random Random::s_Instance;
对整个类可见
存在翻译单元依赖问题（如果有多个 cpp 文件，初始化顺序需要注意）

现代 C++ 推荐 局部静态变量：

class Random {
public:Random(const Random&) = delete;static Random& GetInstance() {static Random instance; // 局部 static，只在第一次调用时创建return instance;}static float Float() { return GetInstance().IFloat(); }private:float IFloat() { return m_RandomGenerator; }Random() {};float m_RandomGenerator = 0.5f;
};

解释局部 static 的意义：