【C++计划模式】第一篇：单例模式（Singleton）​

留意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。
确保全局唯一实例的线程安全实现

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1. 模式定义与用途​

核心目标：保证一个类仅有一个实例，并提供全局访问点。
常见场景：

• 日志体系（避免多个日志实例竞争文件资源）
  
• 设置管理（统一读取和修改全局设置）
  
• 硬件接口访问（如打印机装备控制）
  

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2. 线程安全的现代 C++ 实现​

2.1 方法一：局部静态变量（Meyers’ Singleton，C++11起线程安全）

1. #include <iostream>
3. class Singleton {
4. public:
5.     // 删除拷贝构造函数和赋值操作符
6.     Singleton(const Singleton&) = delete;
7.     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
9.     // 获取唯一实例
10.     static Singleton& getInstance() {
11.         static Singleton instance; // 线程安全（C++11起）
12.         return instance;
13.     }
15.     void logMessage(const std::string& message) {
16.         std::cout << "Log: " << message << std::endl;
17.     }
19. private:
20.     // 私有构造函数，禁止外部创建实例
21.     Singleton() = default;
22. };
24. //测试代码
25. int main() {
26.     Singleton::getInstance().logMessage("System started.");
27.     Singleton::getInstance().logMessage("User logged in.");
29.     // 验证实例地址唯一
30.     Singleton& s1 = Singleton::getInstance();
31.     Singleton& s2 = Singleton::getInstance();
32.     std::cout << "Addresses equal? " << (&s1 == &s2 ? "Yes" : "No") << std::endl; // 输出：Yes
34.     return 0;
35. }

复制代码

代码剖析：

• 使用局部静态变量 static Singleton instance，C++11 标准保证其初始化线程安全。
  
• 删除拷贝构造函数和赋值操纵符，防止意外复制实例。
  
• 私有构造函数确保外部无法直接创建对象。
  

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2.2 方法二：std::call_once（实用于需要动态初始化的场景）

1. #include <iostream>
2. #include <mutex>
3. #include <memory>
5. class Singleton {
6. public:
7.     Singleton(const Singleton&) = delete;
8.     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
10.     static Singleton& getInstance() {
11.         std::call_once(initFlag, []() {
12.             instance = std::unique_ptr<Singleton>(new Singleton());
13.         });
14.         return *instance;
15.     }
17.     void logMessage(const std::string& message) {
18.         std::cout << "Log: " << message << std::endl;
19.     }
21. private:
22.     Singleton() = default;
23.     static std::unique_ptr<Singleton> instance;
24.     static std::once_flag initFlag;
25. };
27. // 静态成员初始化
28. std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;
29. std::once_flag Singleton::initFlag;
31. // 测试代码（同上）

复制代码

代码剖析：

• std::call_once 保证初始化代码仅实行一次，即使多线程情况下也安全。
  
• 使用 std::unique_ptr 管理实例，避免内存泄漏。
  

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3. 传统双检锁（Double-Checked Locking）的问题与改进​

旧版 C++（非线程安全）​：

1. // 警告：C++11 前的实现可能存在线程安全问题！
2. Singleton* Singleton::getInstance() {
3.     if (instance == nullptr) {               // 第一次检查
4.         std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
5.         if (instance == nullptr) {           // 第二次检查
6.             instance = new Singleton();
7.         }
8.     }
9.     return instance;
10. }

复制代码

问题：

• 内存读写顺序问题（指令重排可能导致未初始化完成的对象被访问）。
  

改进（C++11 起使用原子变量）​：

1. #include <atomic>
3. class Singleton {
4.     static std::atomic<Singleton*> instance;
5.     static std::mutex mutex;
7. public:
8.     static Singleton* getInstance() {
9.         Singleton* tmp = instance.load(std::memory_order_acquire);
10.         if (tmp == nullptr) {
11.             std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
12.             tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed);
13.             if (tmp == nullptr) {
14.                 tmp = new Singleton();
15.                 instance.store(tmp, std::memory_order_release);
16.             }
17.         }
18.         return tmp;
19.     }
20. };

复制代码

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4. 应用场景示例：日志体系

1. // 在 Singleton 类中添加日志文件操作
2. #include <fstream>
4. class Singleton {
5.     // ...（同上）
6. private:
7.     std::ofstream logFile;
9.     Singleton() {
10.         logFile.open("app.log", std::ios::app);
11.     }
13. public:
14.     void logMessage(const std::string& message) {
15.         if (logFile.is_open()) {
16.             logFile << message << std::endl;
17.         }
18.     }
20.     ~Singleton() {
21.         logFile.close();
22.     }
23. };

复制代码

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5. 单例模式的优缺点

长处​​缺点全局唯一实例，避免资源冲突隐藏依靠关系，低沉代码可测试性耽误初始化（节省内存）长期持有资源可能影响程序退出举动

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6. 总结与调试技巧

• 验证线程安全：在 VS2022 中使用多线程调试，观察实例地址是否唯一。
  
• ​查察静态变量生命周期：通过断点检查局部静态变量的初始化机遇。
  
• 禁用拷贝操纵：务必删除拷贝构造函数和赋值操纵符以防止意外复制
  

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