一、什么是單例模式

屬于創(chuàng)建型模式，它提供了一種創(chuàng)建對(duì)象的最佳方式。這種模式涉及到一個(gè)單一的類，該類負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的對(duì)象，同時(shí)確保只有單個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建。這個(gè)類提供了一種訪問(wèn)其唯一的對(duì)象的方式，可以直接訪問(wèn)，不需要實(shí)例化該類的對(duì)象。

注意：

• 單例類只能有一個(gè)實(shí)例。
• 單例類必須自己創(chuàng)建自己的唯一實(shí)例。
• 單例類必須給所有其他對(duì)象提供這一實(shí)例。

二、適用場(chǎng)景和實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

1、適用場(chǎng)景

• 需要生成唯一序列的環(huán)境（頻繁訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)或文件）。
• 需要頻繁實(shí)例化然后銷毀的對(duì)象。
• 創(chuàng)建對(duì)象時(shí)耗時(shí)過(guò)多或者耗資源過(guò)多，但又經(jīng)常用到的對(duì)象。
• 方便資源相互通信的環(huán)境

1.1 單例模式經(jīng)典使用場(chǎng)景

1. 資源共享的情況下，避免由于資源操作時(shí)導(dǎo)致的性能或損耗等。如上述中的日志文件，應(yīng)用配置。
2. 控制資源的情況下，方便資源之間的互相通信。如線程池等。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景舉例

1. 外部資源：每臺(tái)計(jì)算機(jī)有若干個(gè)打印機(jī)，但只能有一個(gè)PrinterSpooler，以避免兩個(gè)打印作業(yè)同時(shí)輸出到打印機(jī)。內(nèi)部資源：大多數(shù)軟件都有一個(gè)（或多個(gè)）屬性文件存放系統(tǒng)配置，這樣的系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)對(duì)象管理這些屬性文件 。
2. Windows的Task Manager（任務(wù)管理器）就是很典型的單例模式。
3. windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的單例應(yīng)用。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，回收站一直維護(hù)著僅有的一個(gè)實(shí)例。
4. 網(wǎng)站的計(jì)數(shù)器，一般也是采用單例模式實(shí)現(xiàn)，否則難以同步。
5. 應(yīng)用程序的日志應(yīng)用，一般都何用單例模式實(shí)現(xiàn)，這一般是由于共享的日志文件一直處于打開(kāi)狀態(tài)，因?yàn)橹荒苡幸粋€(gè)實(shí)例去操作，否則內(nèi)容不好追加。
6. Web應(yīng)用的配置對(duì)象的讀取，一般也應(yīng)用單例模式，這個(gè)是由于配置文件是共享的資源。
7. 數(shù)據(jù)庫(kù)連接池的設(shè)計(jì)一般也是采用單例模式，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)連接是一種數(shù)據(jù)庫(kù)資源。數(shù)據(jù)庫(kù)軟件系統(tǒng)中使用數(shù)據(jù)庫(kù)連接池，主要是節(jié)省打開(kāi)或者關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)連接所引起的效率損耗，這種效率上的損耗還是非常昂貴的，因?yàn)楹斡脝卫Ｊ絹?lái)維護(hù)，就可以大大降低這種損耗。
8. 多線程的線程池的設(shè)計(jì)一般也是采用單例模式，這是由于線程池要方便對(duì)池中的線程進(jìn)行控制。
9. 操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)，也是大的單例模式實(shí)現(xiàn)的具體例子，一個(gè)操作系統(tǒng)只能有一個(gè)文件系統(tǒng)。
10. HttpApplication 也是單位例的典型應(yīng)用。熟悉ASP.Net(IIS)的整個(gè)請(qǐng)求生命周期的人應(yīng)該知道HttpApplication也是單例模式，所有的HttpModule都共享一個(gè)HttpApplication實(shí)例.

2、實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

• 將該類的，這樣其他處的代碼就無(wú)法通過(guò)調(diào)用該類的構(gòu)造方法來(lái)實(shí)例化該類的對(duì)象，只有通過(guò)該類提供的靜態(tài)方法來(lái)得到該類的唯一實(shí)例；
• ；
• 在該類內(nèi)提供一個(gè)，當(dāng)我們調(diào)用這個(gè)方法時(shí)，如果類持有的引用不為空就返回這個(gè)引用，如果類保持的引用為空就創(chuàng)建該類的實(shí)例并將實(shí)例的引用賦予該類保持的引用；
• 提供一個(gè)靜態(tài)的公有的函數(shù)用于創(chuàng)建或獲取它本身的靜態(tài)私有對(duì)象。

三、C++實(shí)現(xiàn)單例的幾種方式

1、有缺陷的懶漢式

懶漢式(Lazy-Initialization)的方法是，也就說(shuō)直到調(diào)用getInstance() 方法的時(shí)候才 new 一個(gè)單例的對(duì)象， 如果不被調(diào)用就不會(huì)占用內(nèi)存。

// 有如下問(wèn)題：
// 1.線程不安全
// 2.內(nèi)存泄漏
class Singleton
{
private:
    Singleton()
    {
        std::cout<<"創(chuàng)建構(gòu)造函數(shù)!"<<std::endl;
    }
    Singleton(Singleton&)=delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
    static Singleton* m_pInstance;

public:
    ~Singleton()
    {
        std::cout<<"析構(gòu)函數(shù)!"<<std::endl;
    }

    static Singleton* getInstance()
    {
        if (m_pInstance == nullptr)
        {
            m_pInstance = new Singleton;
        }
        return m_pInstance ;
    }
};

Singleton* Singleton::m_instance_ptr = nullptr;

int main()
{
    Singleton* instance = Singleton::getInstance();
    Singleton* instance_2 = Singleton::getInstance();
    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果是

創(chuàng)建構(gòu)造函數(shù)!

可以看到，獲取了兩次類的實(shí)例，卻只有一次類的構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用，表明只生成了唯一實(shí)例，這是個(gè)最基礎(chǔ)版本的單例實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也存在一些問(wèn)題

1. 線程安全問(wèn)題，當(dāng)多線程獲取單例時(shí)有可能引發(fā)競(jìng)態(tài)條件：
   第一個(gè)線程在if中判斷m_pInstance 為空，實(shí)例化單例對(duì)象；同時(shí)第二個(gè)線程在獲取單例時(shí)也判斷m_pInstance 為空，實(shí)例化單例對(duì)象，會(huì)實(shí)例化兩個(gè)對(duì)象。
2. 內(nèi)存泄漏，注意到類中只負(fù)責(zé)new出對(duì)象，卻沒(méi)有負(fù)責(zé)delete對(duì)象，因此只有構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用，析構(gòu)函數(shù)卻沒(méi)有被調(diào)用;因此會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

2、線程安全且內(nèi)存安全的懶漢式單例 （智能指針，鎖）

class Singleton
{
public:
    typedef std::shared_ptr<Singleton> Ptr;
    ~Singleton()
    {
        std::cout<<"析構(gòu)函數(shù)!"<<std::endl;
    }
    Singleton(Singleton&)=delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;

    static Ptr getInstance()
    {
        // 雙檢鎖
        if (m_pInstance == nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
            if (m_pInstance == nullptr)
            {
                m_pInstance  = std::shared_ptr<Singleton>(new Singleton);
            }
        }
        return m_pInstance ;
    }

private:
    Singleton()
    {
        std::cout<<"創(chuàng)建構(gòu)造函數(shù)!"<<std::endl;
    }
    
    static Ptr m_pInstance;
    static std::mutex m_mutex;
};

Singleton::Ptr Singleton::m_instance_ptr = nullptr;
std::mutex Singleton::m_mutex;

int main()
{
    Singleton* instance = Singleton::getInstance();
    Singleton* instance_2 = Singleton::getInstance();
    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果如下，發(fā)現(xiàn)確實(shí)只構(gòu)造了一次實(shí)例，并且發(fā)生了析構(gòu)。

創(chuàng)建構(gòu)造函數(shù)!
析構(gòu)函數(shù)!

shared_ptr和mutex都是C++11的標(biāo)準(zhǔn)，以上這種方法的優(yōu)點(diǎn)是

• 基于 shared_ptr, 用了C++比較倡導(dǎo)的 RAII思想，用對(duì)象管理資源,當(dāng) shared_ptr 析構(gòu)的時(shí)候，new 出來(lái)的對(duì)象也會(huì)被 delete掉。以此避免內(nèi)存泄漏。
• 加了鎖，使用互斥量來(lái)達(dá)到線程安全。這里使用了兩個(gè) if判斷語(yǔ)句的技術(shù)稱為雙檢鎖；好處是，只有判斷指針為空的時(shí)候才加鎖，避免每次調(diào)用 getInstance的方法都加鎖，鎖的開(kāi)銷畢竟還是有點(diǎn)大的。

不足之處在于： 使用智能指針會(huì)要求用戶也得使用智能指針，非必要不應(yīng)該提出這種約束; 使用鎖也有開(kāi)銷; 同時(shí)代碼量也增多了，實(shí)現(xiàn)上我們希望越簡(jiǎn)單越好。還有更為嚴(yán)重的問(wèn)題，在某些平臺(tái)（與編譯器和指令集架構(gòu)有關(guān)），雙檢鎖會(huì)失效！

3、最推薦的懶漢式單例(magic static )——局部靜態(tài)變量

class Singleton
{
public:
    ~Singleton()
    {
        std::cout<<"析構(gòu)函數(shù)!"<<std::endl;
    }
    Singleton(Singleton&)=delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
    static Singleton& getInstance()
    {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }

private:
    Singleton()
    {
        std::cout<<"創(chuàng)建構(gòu)造函數(shù)!"<<std::endl;
    }
};

int main()
{
    Singleton& instance = Singleton::getInstance();
    Singleton& instance_2 = Singleton::getInstance();
    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果

創(chuàng)建構(gòu)造函數(shù)!
析構(gòu)函數(shù)!

運(yùn)用C++靜態(tài)變量的特性，生存周期是從聲明到程序結(jié)束。

四、單例模式優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

1. 在單例模式中，活動(dòng)的單例只有一個(gè)實(shí)例，對(duì)單例類的所有實(shí)例化得到的都是相同的一個(gè)實(shí)例。這樣就防止其它對(duì)象對(duì)自己的實(shí)例化，確保所有的對(duì)象都訪問(wèn)一個(gè)實(shí)例
2. 單例模式具有一定的伸縮性，類自己來(lái)控制實(shí)例化進(jìn)程，類就在改變實(shí)例化進(jìn)程上有相應(yīng)的伸縮性。
3. 提供了對(duì)唯一實(shí)例的受控訪問(wèn)。
4. 由于在系統(tǒng)內(nèi)存中只存在一個(gè)對(duì)象，因此可以 節(jié)約系統(tǒng)資源，當(dāng) 需要頻繁創(chuàng)建和銷毀的對(duì)象時(shí)單例模式無(wú)疑可以提高系統(tǒng)的性能。
5. 允許可變數(shù)目的實(shí)例。
6. 避免對(duì)共享資源的多重占用。

缺點(diǎn)

1. 不適用于變化的對(duì)象，如果同一類型的對(duì)象總是要在不同的用例場(chǎng)景發(fā)生變化，單例就會(huì)引起數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，不能保存彼此的狀態(tài)。
2. 由于單利模式中沒(méi)有抽象層，因此單例類的擴(kuò)展有很大的困難。
3. 單例類的職責(zé)過(guò)重，在一定程度上違背了“單一職責(zé)原則”。
4. 濫用單例將帶來(lái)一些負(fù)面問(wèn)題，如為了節(jié)省資源將數(shù)據(jù)庫(kù)連接池對(duì)象設(shè)計(jì)為的單例類，可能會(huì)導(dǎo)致共享連接池對(duì)象的程序過(guò)多而出現(xiàn)連接池溢出；如果實(shí)例化的對(duì)象長(zhǎng)時(shí)間不被利用，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為是垃圾而被回收，這將導(dǎo)致對(duì)象狀態(tài)的丟失。