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用C语言实现单例模式

news 2025/10/21 12:15:17

单例模式的核心是确保一个类（或模块）只有一个实例，并提供全局访问点。在C语言中，没有类的概念，但可以通过静态变量、函数封装实现类似效果，保证某块内存（如配置对象、管理器）仅被初始化一次。

C语言实现单例模式的关键思路

隐藏实例：用静态局部变量存储唯一实例（仅在首次访问时初始化）。
全局访问点：提供一个接口函数，负责初始化实例并返回其指针（确保仅初始化一次）。
线程安全（可选）：在多线程环境下，需通过互斥锁避免并发初始化导致的多实例问题。

示例：配置管理器单例（单线程版）

假设需要一个全局唯一的配置管理器，负责加载和提供配置项（如数据库地址、端口）。

步骤1：定义单例结构体（ConfigManager）

// 配置管理器结构体（单例的具体数据）
typedef struct {char db_host[64];   // 数据库地址int db_port;        // 数据库端口char log_path[128]; // 日志路径
} ConfigManager;

步骤2：实现单例的创建与访问接口

通过静态局部变量存储实例，并用接口函数控制初始化逻辑（仅首次调用时初始化）。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>// 静态局部变量：存储唯一实例（文件内可见，外部无法直接访问）
static ConfigManager* instance = NULL;// 单例的全局访问接口
ConfigManager* ConfigManager_getInstance() {// 首次调用时初始化实例if (instance == NULL) {instance = (ConfigManager*)malloc(sizeof(ConfigManager));if (instance == NULL) {printf("内存分配失败\n");return NULL;}// 初始化配置（实际场景可能从文件读取）strcpy(instance->db_host, "localhost");instance->db_port = 3306;strcpy(instance->log_path, "/var/log/app.log");printf("配置管理器初始化完成\n");}return instance;
}// 单例的销毁接口（可选，程序退出前调用）
void ConfigManager_destroy() {if (instance != NULL) {free(instance);instance = NULL;printf("配置管理器已销毁\n");}
}

步骤3：使用单例

无论调用多少次ConfigManager_getInstance，返回的都是同一个实例。

int main() {// 第一次获取实例：触发初始化ConfigManager* config1 = ConfigManager_getInstance();printf("数据库地址: %s, 端口: %d\n", config1->db_host, config1->db_port);// 第二次获取实例：直接返回已存在的实例ConfigManager* config2 = ConfigManager_getInstance();printf("日志路径: %s\n", config2->log_path);// 验证是否为同一个实例（地址相同）if (config1 == config2) {printf("config1 和 config2 是同一个实例\n");}// 销毁单例（程序退出前）ConfigManager_destroy();return 0;
}

输出结果

配置管理器初始化完成
数据库地址: localhost, 端口: 3306
日志路径: /var/log/app.log
config1 和 config2 是同一个实例
配置管理器已销毁

多线程安全的单例（加锁版）

在多线程环境中，多个线程可能同时进入instance == NULL的判断，导致创建多个实例。需通过互斥锁保证初始化的原子性。

#include <pthread.h> // 需链接pthread库（编译时加 -lpthread）// 静态实例
static ConfigManager* instance = NULL;
// 互斥锁：保证初始化过程唯一
static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;// 线程安全的单例访问接口
ConfigManager* ConfigManager_getInstance() {// 双重检查锁（Double-Checked Locking）：减少锁开销if (instance == NULL) { // 第一次检查：避免每次加锁pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁if (instance == NULL) { // 第二次检查：确保仅初始化一次instance = (ConfigManager*)malloc(sizeof(ConfigManager));// ... 初始化配置 ...printf("线程安全的配置管理器初始化完成\n");}pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁}return instance;
}