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设计模式-单例设计模式

news 来源：原创 2025/9/20 11:02:10

什么是单例设计模式？

为什么要使用单例模式？

资源方面

数据一致方面

系统性能方面

代码维护方面

如何设计单例类？

在说模式之前，我们需要先知道怎么设计才可以让一个类只能有一个实例化对象呢？

饿汉模式

懒汉模式

如何理解懒汉模式的双层判断解决线程安全？

什么是单例设计模式？

单例设计模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例；

简单来说就是单例类只能实例化出一个对象；概念不难理解，我们要探讨的就是如何实现单例类，也就是如何控制一个类才能保证只有一个类呢？

为什么要使用单例模式？

资源方面

避免资源重复占用：在某些场景下，创建多个相同的对象会造成资源的浪费。比如数据库连接，每次创建数据库连接都需要消耗一定的系统资源，像网络资源、内存资源等。使用单例模式，就能保证整个应用程序中只有一个数据库连接实例，避免了重复创建连接带来的资源浪费，提高了资源的利用效率。
控制资源访问：对于一些共享资源，如文件系统、打印机等，单例模式可以对资源的访问进行有效的控制。以文件系统为例，如果多个对象同时对同一个文件进行写操作，可能会导致数据混乱。通过单例模式，可以确保同一时间只有一个对象对文件进行操作，保证了数据的一致性和完整性。

数据一致方面

全局数据共享：单例对象可以作为全局数据的存储和访问点，在应用程序的不同模块之间共享数据。例如，在一个游戏应用中，游戏的配置信息（如游戏难度、关卡设置等）可以存储在单例对象中，各个游戏模块都可以通过单例对象来获取和修改这些配置信息，保证了数据的一致性和同步性。
状态管理：在一些需要维护全局状态的应用中，单例模式可以很好地管理这些状态。比如，一个在线购物系统中的购物车，使用单例模式可以确保用户在整个购物过程中只有一个购物车实例，无论用户在哪个页面进行商品添加、删除等操作，都是对同一个购物车进行操作，避免了状态不一致的问题。

系统性能方面

减少对象创建开销：创建对象需要分配内存、初始化等操作，这些操作会消耗一定的时间和系统资源。单例模式只创建一个对象，避免了多次创建对象的开销，提高了系统的性能。特别是在对象创建成本较高的情况下，如创建数据库连接池、线程池等，单例模式的优势更加明显。
提高访问效率：由于单例对象的全局访问点是固定的，访问单例对象的速度比频繁创建和销毁对象要快得多。在需要频繁访问某个对象的场景下，使用单例模式可以显著提高系统的响应速度。

代码维护方面

简化代码结构：单例模式将对象的创建和管理逻辑集中在一个类中，使得代码结构更加清晰和简洁。在整个应用程序中，只需要关注单例类的实现和使用，而不需要在各个模块中重复编写对象创建和管理的代码，降低了代码的复杂度，提高了代码的可维护性。
便于代码修改和扩展：当需要对单例对象的功能进行修改或扩展时，只需要在单例类中进行修改，而不需要在整个应用程序中查找和修改相关代码。这样可以减少代码修改的工作量，降低引入新错误的风险。

如何设计单例类？

单例分为饿汉模式和懒汉模式

在说模式之前，我们需要先知道怎么设计才可以让一个类只能有一个实例化对象呢？

我们回顾一下之前的创建一个类的方式；

-->调用构造函数对吧，而且是public权限的构造函数；

诶？那我们如果把构造函数设置为私有的了，那么类外这不就无法创建对象了吗，确实是起到了限制对象数量的作用；

但这样我们该如何创建对象呢？

-->类外无法创建那就在类内创建对象！因为单例本就是只有一个对象，该对象会被其他线程共享，数据都是一致的，所以我们只需要维护好这一个类的方法就好了，在哪里创建不关心这个；

我们在类内创建一个对象；


class A
{
private:A() {}
private:A _ins;  
public:void f(){cout << "创建一个单例对象" << endl; }
};

但是这里会出现问题，那么就A类还没有构建完毕，是不可以使用A类型作为成员的；

那我们应该如何定义呢？--->静态成员变量;

静态成员变量是比较特殊的成员变量，他处于全局区，每一个类只能实例化出的里面的静态成员都是同一个；

需要注意在类外初始化；正是因为他是在类外实例化的，所以不会和A类同时构造，而是实例化的时间不同；不会出现上述报错；

class A
{
private:A() {}
private:static A _ins;    
public:void f(){cout << "创建一个单例对象" << endl; }static A GetA(){return _ins; }
};

所以我们现在已经可以通过类内创建A对象。并且也是可以直接通过域名直接获得，但是为了体现封装性最好使用一个接口；当然这个接口也是要使用static，因为我们要使用域名访问该接口，然后获得单例对象；

饿汉模式

饿汉式在类加载时就立即创建单例对象，不管这个对象是否马上会被使用。就好像一个 “饥饿” 的人，迫不及待地在一开始就把东西准备好。

映射到代码上就是我先创建好一个对象，但是可能没有被使用，一等到有用户要用，立马给用户，这中间没有多余的动作；

#include<bits/stdc++.h>
#include<mutex>
using namespace std;
namespace hunger_instance {//饿汉模式class Instance{public:static Instance* GetInstance(){return &_ins;}void f(){cout << "获取到了一个单例对象..." << endl;}private:Instance(const Instance&) = delete;Instance() = default;private:static Instance _ins;};Instance Instance::_ins;
}

代码中可以很好的体现出饿汉性质，_ins先初始化好了，用户可以直接通过域名调用GetInstance()获得单例对象地址；

懒汉模式

懒汉核心特点是在需要使用单例对象时才进行创建，即延迟加载。不会像饿汉方式一样，先把对象创建好，用的时候直接拿，懒汉不会先创建好对象，而是需要时才创建；

namespace lazy_instance
{std::mutex mtx;//饿汉模式class Instance{public:static Instance* GetInstance(){if (_ins == nullptr){{std::lock_guard<std::mutex>lock(mtx);  if (_ins == nullptr){_ins = new Instance();}}}return _ins; }void f(){cout << "获取到了一个单例对象..." << endl;}private:Instance(const Instance&) = delete;Instance() = default;private:static Instance* _ins;};Instance* Instance::_ins = nullptr;    
}

由于不是在类外先创建好的，所以我们不能使用普通对象，以为普通对象类外一初始化就是实例化了；

所以懒汉模式的对象是指针；类外初始化为空指针；

与饿汉模式另一点不同的是GetInstance方法，这里因为会存在线程安全所以需要用到互斥锁，以及双层循环保证只new一个对象；

如何理解懒汉模式的双层判断解决线程安全？

这里我以3个线程为例，分别为1、2、3号线程，同时要获取单例对象；

假设是1号线程先拿到了锁，还没有new呢，对象这个时候还是nullptr,但是这个时候2号线程也通过了第一层判断进来了，阻塞在了锁处，因为拿不到锁；

然后1号线程创建完对象，释放锁给2号线程，2号线程进来后，需要看一看对象是不是已经创建好了，2号对象发现对象指针不为空，说明已经创建好了，所以什么也不用干释放锁；也可以拿到对象指针；

3号线程这时候来了，在第一层判断处，他就发现指针不为空，那我直接return _ins就好了；

总结：双层判断是必要的，第一个判断很简单，就是避免进入该方法的线程避免在指针不为空的情况下还new；

第二层循环配合锁是对象还没创建完时，避免进入第一层循环内部的多个线程多次new对象；

设计模式-单例设计模式

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