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。

UML 结构图

要点

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

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();

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(); // OKSingleton single = Singleton::GetInstance(); // Error 不能编译通过

懒汉式/饿汉式

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

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

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。