C++ 设计模式——单例模式
单例模式（Singleton Pattern）也称单件模式/单态模式，是一种创建型模式，用于创建只能产生一个对象实例的类。
引入“单例”设计模式的定义（实现意图）：保证一个类仅有一个实例存在同时提供能对该实例访问的全局方法（getInstance 成员函数）。
1. 单例模式的基本概念与实现
单例模式通过以下几个关键点实现其目标：
- 唯一性：利用私有构造函数和静态成员变量，防止外部直接创建类的实例。
- 全局访问：提供一个公共静态方法（通常命名为
getInstance()），以确保所有调用者都能获取到相同的实例。 - 懒加载与饿加载：可以选择在类加载时（饿汉式）或首次调用时（懒汉式）创建实例。
实现示例：
-
饿汉式：在类加载时就创建实例，适合对内存占用不敏感的场景。
class GameConfig { private:GameConfig() {};static GameConfig* m_instance;public:static GameConfig* getInstance() {return m_instance;} };GameConfig* GameConfig::m_instance = new GameConfig(); -
懒汉式：在首次调用时创建实例，适合资源密集型对象。
class GameConfig { private:GameConfig() {};static GameConfig* m_instance;public:static GameConfig* getInstance() {if (m_instance == nullptr) {m_instance = new GameConfig();}return m_instance;} };GameConfig* GameConfig::m_instance = nullptr;
2. 多线程环境中的问题
在多线程环境中，懒汉式单例模式可能出现以下问题：
- 竞态条件：多个线程同时检查实例是否为
nullptr，可能导致多个线程同时创建实例，从而破坏单例特性。 - 资源浪费：若多个实例被创建，会导致内存和资源的浪费，影响系统性能和稳定性。
解决方案：
- 加锁：在创建实例的代码段中使用互斥锁（如
std::mutex），确保同一时间只有一个线程可以执行实例创建逻辑。
#include <mutex>class GameConfig {
private:GameConfig() {};static GameConfig* m_instance;static std::mutex m_mutex;public:static GameConfig* getInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); // 加锁if (m_instance == nullptr) {m_instance = new GameConfig();}return m_instance;}
};GameConfig* GameConfig::m_instance = nullptr;
std::mutex GameConfig::m_mutex;
- 双重检查锁定：在加锁的同时，仍然检查实例是否为
nullptr，以避免不必要的锁开销。
static GameConfig* getInstance() {if (m_instance == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);if (m_instance == nullptr) {m_instance = new GameConfig();}}return m_instance;
}
3. 内存管理问题
单例模式中的内存管理至关重要，尤其是在使用动态分配内存时。以下是一些关键点：
1. 内存泄漏风险
- 动态分配：如果单例类的实例通过
new创建，而在程序结束时没有释放内存，可能导致内存泄漏。 - 手动释放：通常需要提供一个方法（如
freeInstance()）来手动释放单例对象的内存。
2. 自动释放策略
- 使用局部静态变量：在 C++ 中，可以使用局部静态变量来创建单例实例。这种方式的优点是，局部静态变量在程序结束时会自动调用析构函数，释放内存。
class GameConfig {
private:GameConfig() {};GameConfig(const GameConfig&) = delete;GameConfig& operator=(const GameConfig&) = delete;public:static GameConfig& getInstance() {static GameConfig instance; // 自动管理生命周期return instance;}
};
3. 垃圾回收机制
- 智能指针：使用智能指针（如
std::unique_ptr或std::shared_ptr）来管理单例对象的生命周期，可以减少内存管理的复杂性。
#include <memory>class GameConfig {
private:GameConfig() {};GameConfig(const GameConfig&) = delete;GameConfig& operator=(const GameConfig&) = delete;public:static std::shared_ptr<GameConfig> getInstance() {static std::shared_ptr<GameConfig> instance(new GameConfig());return instance;}
};
4. 嵌套类与内存管理
对于使用饿汉式实现的单例模式，可以引入嵌套类来处理内存释放，确保在程序结束时自动释放内存。
class GameConfig {
private:GameConfig() {};GameConfig(const GameConfig&) = delete;GameConfig& operator=(const GameConfig&) = delete;~GameConfig() {}; // 私有析构函数public:static GameConfig* getInstance() {return m_instance; // 返回静态实例}private:static GameConfig* m_instance; // 指向单例对象的指针// 垃圾回收类class Garbo {public:~Garbo() {if (GameConfig::m_instance != nullptr) {delete GameConfig::m_instance; // 释放内存GameConfig::m_instance = nullptr; // 避免悬空指针}}};static Garbo garboobj; // 静态Garbo对象
};// 静态成员变量初始化
GameConfig* GameConfig::m_instance = new GameConfig(); // 在类外初始化
GameConfig::Garbo GameConfig::garboobj; // 创建Garbo对象
4. UML 图
单例模式 UML 图" />
UML 图解析
- 通过私有构造函数和静态成员变量
m_instance，确保GameConfig类只有一个实例。 - 通过公共静态方法
getInstance()提供全局访问点，允许外部代码获取该实例。 - 将构造函数和实例变量设为私有，增强了类的封装性，避免了外部对实例的直接操作。
优缺点
优点：
- 唯一性：确保类只有一个实例，避免资源的重复分配。
- 全局访问：提供全局访问点，使得共享资源的管理更加方便。
- 延迟实例化：可以实现懒加载，只有在需要时才创建实例，节省资源。
缺点：
- 全局状态：可能导致全局状态的引入，增加系统的耦合性。
- 难以测试：使得单元测试变得困难，因为单例对象的创建和销毁不够灵活。
- 多线程问题：在多线程环境下实现复杂，可能引入性能开销和竞态条件。
适用场景
- 资源共享：适用于需要控制资源的共享，例如配置管理、日志记录和数据库连接等场景。
- 全局状态管理：适合需要全局访问的状态信息，如应用程序设置、游戏配置等。
- 限制实例数量：在程序生命周期内只需一个实例的场景，例如线程池、缓存管理和服务注册中心。
- 懒加载需求：当实例创建较为昂贵且不一定每次都需要时，适合使用懒加载策略。
- 跨模块访问：需要在多个模块或类中共享同一实例的情况，提升系统的统一性和一致性。
总结
单例模式是一种常用的设计模式，能够有效管理全局资源和状态。通过合理的实现方式，可以避免内存泄漏和多线程问题。理解单例模式的优缺点及适用场景，有助于在实际开发中正确应用这一模式。
