1.单例模式定义
单例模式：确保一个类只能有一个实例，并且提供一个全局访问点来访问这个唯一实例。单例模式中的要点：(1) 该类只能有一个实例；
(2) 该类必须自己创建这个实例；
(3) 该类必须自己向整个系统提供这个实例；
单例模式结构简单，它的UML图如下所示。仅包含一个类，即单例类。为了防止创建多个对象，其构造函数必须是私有的(private)，这样外界就不能访问。另外，为了能提供一个全局访问点来访问此唯一实例，单例类中提供了一个公有方法getInstance()来返回唯一实例。
3.单例模式入门实战
#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__
#include <iostream>
using namespace std;
// 单例类
class Singleton{
public:
static Singleton* getInstance(){ // 外界通过static方法getInstance()方法获取单例对象，满足要点3
if(instance == nullptr){
cout << "创建一个新的实例对象\n";
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
private:
Singleton(){} // 构造函数是私有的，即单例模式中对象仅能在单例类的内部实例化，满足要点2
static Singleton* instance; // 实例对象instance是static，即全局的，客户端程序中若要实例化两个Singleton对象，但instance仅有一个，满足要点1
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
// 客户端程序
int main(){
Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
return 0;
}
#endif // __SINGLETON_H__
4.多线程环境下的单例模式
上面的入门实战程序中，实现了基本的单例模式。请思考一下多线程环境下如何实现安全的单例模式？在多线程环境中，当两个甚至多个线程同时使用，同样存在创建了多个实例对象的隐患问题。下面代码是多线程环境下，非线程安全的示例：
#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__
#include <iostream>
#include <process.h>
#include <windows.h>
#define THREAD_NUM 5
using namespace std;
// 单例类
class Singleton{
public:
static Singleton* getInstance(){ // 外界通过static方法getInstance()方法获取单例对象，满足要点3
if(instance == nullptr){
cout << "创建一个新的实例对象\n";
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
private:
Singleton(){} // 构造函数是私有的，即单例模式中对象仅能在单例类的内部实例化，满足要点2
static Singleton* instance; // 实例对象instance是static，即全局的，客户端程序中若要实例化两个Singleton对象，但instance仅有一个，满足要点1
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
unsigned int __stdcall CallSingleton(void *pPM){
Singleton* s = Singleton::getInstance();
int nThreadNum = *(int*)pPM;
Sleep(50);
cout << "线程编号: " << nThreadNum << endl;
return 0;
}
// 客户端程序
int main(){
HANDLE handle[THREAD_NUM];
// 线程编号
int threadNum = 0;
while (threadNum < THREAD_NUM){
handle[threadNum] = (HANDLE)_beginthreadex(nullptr, 0, CallSingleton, &threadNum, 0, nullptr);
// 等子线程接收到参数时，主线程可能会改变这个i值
threadNum++;
}
// 保证子线程已全部运行结束
WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
return 0;
}
#endif // __SINGLETON_H__
上面的程序中一共创建5个线程，每个线程中都会试图去创建一个单例对象。理论上，最终只有第一个线程(第一个被系统调度的线程)才能打印出“创建一个新的实例对象”。以下结果说明：上面的单例模式代码并不是线程安全的。
如何做到线程安全？多线程同步与互斥有多种方法，下面使用互斥锁来实现。
#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <process.h>
#include <windows.h>
#define THREAD_NUM 5
using namespace std;
// 单例类
class Singleton
{
public:
static Singleton *getInstance()
{
if (instance == nullptr)
{
m_mutex.lock(); // 互斥锁
if (instance == nullptr)
{
cout << "创建一个新的实例对象\n";
instance = new Singleton();
}
m_mutex.unlock();
}
return instance;
}
private:
Singleton() {}
static Singleton *instance;
static mutex m_mutex;
};
Singleton *Singleton::instance = nullptr;
mutex Singleton::m_mutex;
unsigned int __stdcall CallSingleton(void *pPM){
Singleton* s = Singleton::getInstance();
int nThreadNum = *(int*)pPM;
Sleep(50);
cout << "线程编号: " << nThreadNum << endl;
return 0;
}
// 客户端程序
int main(){
HANDLE handle[THREAD_NUM];
// 线程编号
int threadNum = 0;
while (threadNum < THREAD_NUM){
handle[threadNum] = (HANDLE)_beginthreadex(nullptr, 0, CallSingleton, &threadNum, 0, nullptr);
// 等子线程接收到参数时，主线程可能会改变这个i值
threadNum++;
}
// 保证子线程已全部运行结束
WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
return 0;
}
#endif // __SINGLETON_H__
5.单例模式总结优点：
(1) 单例模式提供了严格的对唯一实例对象的创建和访问
(2) 单例模式的实现可以节省系统资源
缺点：(1) 多线程下使用单例模式，需要考虑线程安全问题
(2) 单例模式没有抽象层，不好扩展
