现实世界中的例子
一个国家在同一时间内只能有一位总统。每当需要履行职责时,必须让同一位总统采取行动。这里的总统就是一个单例(Singleton)。
用简单的话解释
单例模式确保一个特定的类只能被实例化一次。
维基百科的定义
在软件工程中,单例模式是一种软件设计模式,它限制一个类只能有一个实例。这在需要一个对象来协调系统中的操作时非常有用。
单例模式的考量
单例模式实际上被认为是一种反模式(Anti-Pattern),过度使用应该避免。它并非必然不好,可能有一些有效的应用场景,但应谨慎使用,因为它会在应用程序中引入全局状态,一个地方的更改可能会影响其他区域,使调试变得相当困难。另一个不好的地方是它会使代码紧密耦合,并且模拟(Mocking)单例可能会很困难。
编程示例
要创建一个单例,需要将构造函数设为私有,禁用克隆,禁止扩展,并创建一个静态变量来存储实例:
以下是一个使用线程安全的懒汉式单例模式的示例代码:
#include <iostream>
#include <mutex>class Singleton {
public:// 删除拷贝构造函数和赋值运算符Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;// 提供一个静态的全局访问点static Singleton& getInstance() {std::call_once(initFlag, []() {instance.reset(new Singleton);});return *instance;}void printMessage() {std::cout << "Hello, Singleton!" << std::endl;}private:// 私有化构造函数和析构函数Singleton() {std::cout << "Singleton Constructor" << std::endl;}~Singleton() {std::cout << "Singleton Destructor" << std::endl;}static std::unique_ptr<Singleton> instance;static std::once_flag initFlag;
};// 初始化静态成员变量
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::initFlag;int main() {Singleton& s1 = Singleton::getInstance();s1.printMessage();Singleton& s2 = Singleton::getInstance();s2.printMessage();return 0;
}
代码解释:
- 删除拷贝构造函数和赋值运算符:
- Singleton(const Singleton&) = delete;
- Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
- 静态的全局访问点:
- static Singleton& getInstance() 使用std::call_once确保Singleton的实例只被初始化一次,这样可以保证线程安全。
- 构造函数和析构函数私有化:
- 保证只能通过getInstance函数来创建和销毁对象。
- 静态成员变量:
- 使用std::unique_ptr来管理单例的生命周期。
- std::once_flag用于确保初始化只执行一次。
- 主函数:
- 通过Singleton::getInstance()获取单例实例并调用其方法。
这个实现方式利用了C++11的新特性,如std::unique_ptr和std::call_once,确保了单例模式的线程安全和高效性。
以下是一个使用static关键字实现的单例模式的C++代码。这种实现被称为“懒汉式”单例模式,利用了C++中的静态局部变量的特性,确保线程安全并延迟初始化:
#include <iostream>class Singleton {
public:// 获取单例实例的静态方法static Singleton& getInstance() {static Singleton instance; // 局部静态变量,只在第一次调用时初始化return instance;}// 公共方法示例void printMessage() {std::cout << "Hello, Singleton!" << std::endl;}private:// 构造函数私有化Singleton() {std::cout << "Singleton Constructor" << std::endl;}// 禁用拷贝构造函数和赋值运算符Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};int main() {Singleton& s1 = Singleton::getInstance();s1.printMessage();Singleton& s2 = Singleton::getInstance();s2.printMessage();return 0;
}
代码解释:
局部静态变量:
static Singleton instance; 该变量是函数内的静态变量,C++标准确保它只会在第一次调用时被初始化,并且之后所有对getInstance()的调用都会返回同一个实例。
线程安全:
在C++11及其之后,静态局部变量的初始化是线程安全的,因此这种实现方式可以安全地在多线程环境中使用。
私有化构造函数:
这确保了外部无法直接创建Singleton对象,必须通过getInstance()来获取实例。
禁止拷贝与赋值:
delete了拷贝构造函数和赋值运算符,防止通过拷贝或赋值生成多个实例。
调用方式:
通过Singleton::getInstance()获取单例的实例。