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；
2.单例模式UML图
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
