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单例模式

news 来源：原创 2025/7/4 18:22:11

设计模式（Design Pattern）说白了就是一套方法论，是我们的前辈们不断试错总结出来的。一般意义上的设计模式有23种，分为创建型、结构型、行为型三大类。今天先拿最简单的单例模式开刀吧。

六大原则

在正式进入设计模式的学习之前，我们有必要简单了解一下设计模式的六大原则，在这里浅浅认识一下即可，在后续各个模式的学习中，我们自然会逐步深入。

1、单一职责原则：一个类只做一件事！只有一个能引起其变化的原因，能够有效提高可维护性。

2、开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。通过接口和抽象类实现代码的规范化，通过继承与多态实现扩展。

3、里氏替换原则：子类能够替换父类，同时不影响程序的正确性。即子类不破坏父类的行为。

4、接口隔离原则：不是非得使用用不到的接口！将臃肿的接口拆分为多个具体接口。

5、依赖倒置原则：针对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。这是开闭原则的基础。

6、迪米特法则：又叫“最少知识原则”，一个对象应尽可能少地了解其他对象（别人家的事少打听）。

还有一些常常被提及的其他原则，比如合成复用原则，强调优先使用组合（拆分为具体组件）而非继承。还有什么保持简单性，不要过度设计等。

单例模式概述

单例模式是一种创建型模式，其定义是：确保一个类只有一个实例，其自行实例化向整个系统提供这个实例。

单例模式的目的就是让全局都只有一个访问点，通过资源复用避免了重复分配资源，减少开销。这个模式可以用于游戏中多个模块共享数据，从而进行状态管理等。

实现单例模式可以分为三步：

1、通常将类的构造方法定义为私有。这是为了让这个类只能在一开始实例，杜绝在其他地方实例化的可能。

2、定义私有类的静态实例。这个实例通常由静态指针来保存，因为静态成员与程序同周期，保证该实例能够被访问。

3、提供公有的访问实例的静态方法。利用静态方法无需将类实例即可调用的特性，保证实例的唯一性。

class A {
//第一步：私有化构造函数
private://将默认构造函数设置为私有A();//禁用拷贝构造，参数名省略A(const A&);//将析构函数设置为私有，杜绝外部delete~A();//禁用赋值操作符，彻底杜绝对象复制A& operator = (const A&);
//第二步：静态指针保存实例
private:static A* m_instance = NULL;
//第三步：获取实例方法
public:static A* getInstance() {if (m_instance == NULL) {m_instance = new A();}return m_instance;}
};
//类外初始化
A* A::m_instance = NULL;

为了方便为多个类做单例实现，可以考虑使用单例模式的模板实现，简单来说就是将定义静态实例的过程制成模板。让代码复用性高，更加地灵活。

template <typename T>
class Singleton {
//和普通的单例模式差不多
private:Singleton(){}Singleton(const Singleton&){}~Singleton(){}Singleton& operator = (const Singleton&);
private:static T* singleton;
public:static T* getInstance() {if (singleton == NULL) {singleton = new T();}return singleton;}
};
//类外初始化
template <typename T>
T* Singleton<T>::singleton = NULL;
class A {//为了访问到该类的私有函数，用友元friend class Singleton<A>;
private:A():n('A'){}A(const A&);~A();A& operator = (const A&);
private:char n;//有了模板就不需要这里声明了/*static A* m_instance;*/
public://也不需要多余的静态函数了/*static A* getInstance() {if (m_instance == NULL) {m_instance = new A();}return m_instance;}*/void print() {  cout << n << endl;}
};
//A* A::m_instance = NULL;
int main() {Singleton<A>::getInstance()->print();return 0;
}

总的来说，单例模式可以减少资源开销，但其没有接口，不能继承，还需要考虑线程安全（C++11以后静态局部变量的初始化是线程安全的）。

饿汉式

“要诅咒，就诅咒弱小的自己好了。这个世界上所有不利条件都是因为当事人能力不足所致。”

——《东京食尸鬼》

可以看出，金木研在处于极度饥饿的情况下会很着急，甚至会失去理智。所以饿汉式单例设计就是指不管程序要不要这个实例，都急切地早早创建好。

现在来看看C++中饿汉式的几种实现方式。

首先是类外初始化静态成员的方法。这个利用了C++中静态成员初始化的特点。类的静态成员变量和类是同一级的，如果在类外初始化会在程序运行开始时就分配内存。而局部静态成员变量是在函数内部声明的静态变量，它的内存分配和初始化是在第一次调用该函数时进行的。之后再次调用该函数，这个局部静态成员变量不会再次进行初始化，而是保留上一次调用结束时的值。

//其实和上面写的一样
template <typename T>
class Singleton {
//和普通的单例模式差不多
private:
Singleton(){}
Singleton(const Singleton&){}~Singleton(){}Singleton& operator = (const Singleton&);
private:
static T* singleton;
public:
static T* getInstance() {
return singleton;}
};
//类外初始化
template <typename T>
T* Singleton<T>::singleton = new T();

在C++17以后，inline修饰的局部静态成员变量可以在程序一开始就完成初始化（可以通过输出语句cout << __cplusplus << endl来查看C++标准）。

template <typename T>
class Singleton {
//和普通的单例模式差不多
private:
Singleton(){}
Singleton(const Singleton&){}~Singleton(){}Singleton& operator = (const Singleton&);
private:
inline static T* singleton = new T();
public:
static T* getInstance() {
return singleton;}
};

总体来说，饿汉式在程序启动时创建，天然线程安全，但会在一开始就占用内存，所以适合简单的、必用的实例，比如控制游戏流程的全局管理器。

懒汉式

“谁也没有要你活得出人头地，在人前丢脸也好，摔得满身是泥也好，那些都会成为最棒的下酒菜。”

——《银魂》

懒汉式单例设计像是看破了红尘，正如同折木奉太郎这样的节能主义，避免无谓的麻烦与消耗，只有在第一次请求的时候才创建实例，你不用，我就不管你了。

现在来看看C++中饿汉式的几种实现方式。

首先正如上文所讲，我们可以利用局部声明的静态变量让其在首次访问时才初始化，即在函数内部声明，而且这种方法在C++11以后自动保证了线程安全。

template <typename T>
class Singleton {
//和普通的单例模式差不多
private:
Singleton(){}
Singleton(const Singleton&){}~Singleton(){}Singleton& operator = (const Singleton&);
public:
static T* getInstance() {
static T* singleton;
if (singleton == NULL) {singleton = new T();}
return singleton;}
};

还有一种是在C++11以前常用的双重检查锁结构，同样可以保证线程安全。

#include <mutex>
template <typename T>
class Singleton {
private:
Singleton(){}
Singleton(const Singleton&){}~Singleton(){}Singleton& operator = (const Singleton&);
private:
static T* singleton;
static mutex mtx;
public:
static T* getInstance() {
if (singleton == NULL) {//第一次检查
lock_guard<mutex> lock(mtx);//加锁
if (singleton == NULL) {//第二次检查singleton = new T();}}
return singleton;}
};
//类外初始化
template <typename T>
T* Singleton<T>::singleton = NULL;
template <typename T>
mutex Singleton<T>::mtx;

有个方法名为call_once，是 C++11 引入的一个标准库函数，它的作用是确保给定的可调用对象（这里用了Lambda表达式）在多线程环境下仅被调用一次。

template <typename T>
class Singleton {
//和普通的单例模式差不多
private:
Singleton(){}
Singleton(const Singleton&){}~Singleton(){}Singleton& operator = (const Singleton&);
private:
static T* singleton;
static once_flag initFlag;
public:
static T* getInstance() {
//这个方法可以保证只实例一次
call_once(initFlag, []() {singleton = new T();});
return singleton;}
};
//类外初始化
template <typename T>
T* Singleton<T>::singleton = NULL;
template <typename T>
once_flag Singleton<T>::initFlag;

总的来说，懒汉式的主要优点是通过延迟加载避免了不必要的开销，可以用在使用率不高、不一定会用的实例，在现代C++中局部静态变量是最佳的实现方式。

小结

实话说单例模式还是一种很实用的设计模式，他可以让游戏的各个模块都能够轻松地访问到所需要的信息，十分适合用于实现存放角色信息的等功能。

如有补充纠正欢迎留言。

单例模式

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六大原则

单例模式概述

饿汉式

懒汉式

小结

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