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简述

单例模式（Singleton Pattern）是设计模式中最简单的形式之一，其目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

简述UML 结构图要点局部静态变量懒汉式饿汉式线程安全资源释放

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UML 结构图

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要点

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单例模式的要点有三个：

单例类有且仅有一个实例单例类必须自行创建自己的唯一实例单例类必须给所有其他对象提供这一实例

从具体实现角度来说，可分为以下三点：

提供一个 private 构造函数（防止外部调用而构造类的实例）提供一个该类的 static private 对象提供一个 static public 函数，用于创建或获取其本身的静态私有对象（例如：GetInstance()）

除此之外，还有一些关键点（需要多加注意，很容易忽视）：

线程安全（双检锁 - DCL，即：double-checked locking）资源释放

局部静态变量

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这种方式很常见，实现非常简单，而且无需担心单例的销毁问题。

// singleton.h #ifndef SINGLETON_H #define SINGLETON_H // 非真正意义上的单例 class Singleton { public: static Singleton& GetInstance() { static Singleton instance; return instance; } private: Singleton() {} }; #endif // SINGLETON_H

但是，这并非真正意义上的单例。当使用如下方式访问单例时：

Singleton single = Singleton::GetInstance(); 1

这会出现了一个类拷贝问题，从而违背了单例的特性。产生这个问题原因在于：编译器会生成一个默认的拷贝构造函数，来支持类的拷贝。

为了避免这个问题，有两种解决方式：

将 GetInstance() 函数的返回类型修改为指针，而非引用。显式地声明类的拷贝构造函数，并重载赋值运算符。

对于第一种方式，只需要修改 GetInstance() 的返回类型即可：

// singleton.h #ifndef SINGLETON_H #define SINGLETON_H // 单例 class Singleton { public: // 修改返回类型为指针类型 static Singleton* GetInstance() { static Singleton instance; return &instance; } private: Singleton() {} }; #endif // SINGLETON_H

既然编译器会生成一个默认的拷贝构造函数，那么，为什么不让编译器不这么干呢？这就产生了第二种方式：

// singleton.h #ifndef SINGLETON_H #define SINGLETON_H #include <iostream> using namespace std; // 单例 class Singleton { public: static Singleton& GetInstance() { static Singleton instance; return instance; } void doSomething() { cout << "Do something" << endl; } private: Singleton() {} // 构造函数（被保护） Singleton(Singleton const &); // 无需实现 Singleton& operator = (const Singleton &); // 无需实现 }; #endif // SINGLETON_H

这样以来，既可以保证只存在一个实例，又不用考虑内存回收的问题。

Singleton::GetInstance().doSomething(); // OK Singleton single = Singleton::GetInstance(); // Error 不能编译通过 1

懒汉式/饿汉式

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在讲解之前，先看看 Singleton 的头文件（懒汉式/饿汉式公用）：

// singleton.h #ifndef SINGLETON_H #define SINGLETON_H // 单例 - 懒汉式/饿汉式公用 class Singleton { public: static Singleton* GetInstance(); private: Singleton() {} // 构造函数（被保护） private: static Singleton *m_pSingleton; // 指向单例对象的指针 }; #endif // SINGLETON_H

懒汉式的特点：

Lazy 初始化非多线程安全

优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。 缺点：必须加锁（在“线程安全”部分分享如何加锁）才能保证单例，但加锁会影响效率。

// singleton.cpp #include "singleton.h" // 单例 - 懒汉式 Singleton *Singleton::m_pSingleton = NULL; Singleton *Singleton::GetInstance() { if (m_pSingleton == NULL) m_pSingleton = new Singleton(); return m_pSingleton; }

饿汉式的特点：

非 Lazy 初始化多线程安全

优点：没有加锁，执行效率会提高。 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

// singleton.cpp #include "singleton.h" // 单例 - 饿汉式 Singleton *Singleton::m_pSingleton = new Singleton(); Singleton *Singleton::GetInstance() { return m_pSingleton; }

线程安全

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在懒汉式下，如果使用多线程，会出现线程安全隐患。为了解决这个问题，我们引入了双检锁 - DCL 机制。

// singleton.h #ifndef SINGLETON_H #define SINGLETON_H #include <iostream> #include <mutex> using namespace std; // 单例 - 懒汉式/饿汉式公用 class Singleton { public: static Singleton* GetInstance(); private: Singleton() {} // 构造函数（被保护） private: static Singleton *m_pSingleton; // 指向单例对象的指针 static mutex m_mutex; // 锁 }; #endif // SINGLETON_H // singleton.cpp #include "singleton.h" // 单例 - 懒汉式（双检锁 DCL 机制） Singleton *Singleton::m_pSingleton = NULL; mutex Singleton::m_mutex; Singleton *Singleton::GetInstance() { if (m_pSingleton == NULL) { std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); // 自解锁 if (m_pSingleton == NULL) { m_pSingleton = new Singleton(); } } return m_pSingleton; }

这样，就可以保证线程安全了，但是，会带来较小的性能影响。

资源释放

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有内存申请，就要有对应的释放，可以采用下述两种方式：

主动释放（手动调用接口来释放资源）自动释放（由程序自己释放）

要手动释放资源，添加一个 static 接口，编写需要释放资源的代码：

// 单例 - 主动释放 static void DestoryInstance() { if (m_pSingleton != NULL) { delete m_pSingleton; m_pSingleton = NULL; } }

然后在需要释放的时候，手动调用该接口：

Singleton::GetInstance()->DestoryInstance();

方式虽然简单，但很多时候，容易忘记调用 destoryInstance()。这时，可以采用更方便的方式：

// singleton.h #ifndef SINGLETON_H #define SINGLETON_H #include <iostream> using namespace std; // 单例 - 自动释放 class Singleton { public: static Singleton* GetInstance(); private: Singleton() {} // 构造函数（被保护） private: static Singleton *m_pSingleton; // 指向单例对象的指针 // GC 机制 class GC { public: ~GC() { // 可以在这里销毁所有的资源，例如：db 连接、文件句柄等 if (m_pSingleton != NULL) { cout << "Here destroy the m_pSingleton..." << endl; delete m_pSingleton; m_pSingleton = NULL; } } static GC gc; // 用于释放单例 }; }; #endif // SINGLETON_H

只需要声明 Singleton::GC 即可：

// main.cpp #include "singleton.h" Singleton::GC Singleton::GC::gc; // 重要 int main() { Singleton *pSingleton1 = Singleton::GetInstance(); Singleton *pSingleton2 = Singleton::GetInstance(); cout << (pSingleton1 == pSingleton2) << endl; return 0; }

在程序运行结束时，系统会调用 Singleton 的静态成员 GC 的析构函数，该析构函数会进行资源的释放。这种方式的最大优点就是在“不知不觉”中进行，所以，对我们来说，尤为省心。