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运行在VS2022，x86，Debug下。

25. 单例模式

• 单例即该类只能有一个实例。

• 应用：如在游戏开发中，可以使用单例模式来管理各种资源，确保这些资源在整个游戏中只被加载和管理一次。

• 实现

  • 将构造函数和析构函数私有，不允许外部构造或析构类对象。
  • 将拷贝构造函数、赋值运算符、移动构造函数和移动赋值运算符删除，不允许复制类对象。
  • 需要有一个静态函数接口，返回唯一的静态实例。

• 分类

  • 饿汉式单例模式：在main()开始前，实例就已经存在了。
  • 懒汉式单例模式：在第一次调用获取实例时才创建实例。

25.1. 饿汉式单例模式

• 代码如下。

class Singleton
{
private:Singleton() {} //私有构造函数~Singleton() {} //私有析构函数Singleton(const Singleton&) = delete; //删除拷贝构造函数Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; //删除赋值运算符Singleton(Singleton&&) = delete; //删除移动构造函数Singleton & operator=(Singleton&&) = delete; //删除移动赋值运算符private:static Singleton instance; //静态成员变量，存储实例public:static Singleton* getInstance() //静态成员函数，获取实例{return &instance;}
};Singleton Singleton::instance; //静态成员变量实例化int main()
{Singleton* s1 = Singleton::getInstance();Singleton* s2 = Singleton::getInstance();return 0;
}

• 在main()处设置断点，监视窗口如下，实例的内存地址为0x00E0C138。

• 总结
  • 优点：线程安全，因为程序运行时就已经生成唯一的实例。
  • 缺点：不是按需创建实例。

25.2. 懒汉式单例模式

• 新增一个静态函数接口，用于释放实例内存。
• 代码如下。

class Singleton
{
private:Singleton(){} //私有构造函数~Singleton(){} //私有析构函数Singleton(const Singleton&) = delete; //删除拷贝构造函数Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; //删除赋值运算符Singleton(Singleton&&) = delete; //删除移动构造函数Singleton & operator=(Singleton&&) = delete; //删除移动赋值运算符private:static Singleton* instance; //静态成员变量，存储实例public:static Singleton* getInstance() //静态成员函数，获取实例{if (instance == nullptr)instance = new Singleton();return instance;}static void deleteInstance() //静态成员函数，释放实例{if (instance != nullptr){delete instance;instance = nullptr;}}
};Singleton* Singleton::instance = nullptr; //静态成员变量定义和初始化int main() 
{Singleton* s1 = Singleton::getInstance();Singleton* s2 = Singleton::getInstance();Singleton::deleteInstance();return 0;
}

• 在main()处设置断点，监视窗口如下，此时未生成实例。

• 第一次调用getInstance()获取实例时，生成实例，实例的内存地址为0x00E16A08。

• 总结
  • 优点：按需创建实例。
  • 缺点：
    • 不是线程安全，如两个线程同时调用getInstance()获取实例，同时运行到判断instance是否为nullptr的if语句，并且instance并未创建，那么两个线程都会创建一个实例。
    • 内存释放问题，在程序执行结束时，调用deleteInstance()释放实例内存，但是要确保delete之后，没有代码再调用getInstance()或者访问已释放的内存，存在安全隐患。

25.2.1. 解决方案1

• 针对线程安全问题，加锁。
• 针对内存释放问题，对于全局变量或静态变量，main()返回后会调用析构函数。基于此，可以定义一个静态成员变量，用于释放实例内存。
• 代码如下。

mutex m;class Singleton
{
private:Singleton() {} //私有构造函数~Singleton() {} //私有析构函数Singleton(const Singleton&) = delete; //删除拷贝构造函数Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; //删除赋值运算符Singleton(Singleton&&) = delete; //删除移动构造函数Singleton& operator=(Singleton&&) = delete; //删除移动赋值运算符static Singleton* instance; //静态成员变量，存储实例class Garbo //在析构函数中释放实例{public:~Garbo(){if (Singleton::instance != nullptr){delete instance;instance = nullptr;}}};static Garbo garbo; //静态成员变量，在程序执行结束时，系统会调用它的析构函数public:static Singleton* getInstance() //静态成员函数，获取实例{if (instance == nullptr) //加锁前判断，这样如果实例存在，就不需加锁了{lock_guard<mutex>lock(m); //创建实例前加锁if (instance == nullptr)instance = new Singleton();}return instance;}
};Singleton* Singleton::instance = nullptr; //静态成员变量定义和初始化int main()
{Singleton* s1 = Singleton::getInstance();Singleton* s2 = Singleton::getInstance();return 0;
}

25.2.2. 解决方案2 （推荐写法）

• 在静态函数接口里，定义局部静态变量，存储实例。那么它会在第一次调用获取实例时才创建，可以按需创建实例。同时内部__Init_thread_header()和_Init_thread_footer()可以保证局部静态变量的初始化是线程安全的。
• 代码如下。

class Singleton
{
private:Singleton() {} //私有构造函数~Singleton() {} //私有析构函数Singleton(const Singleton&) = delete; //删除拷贝构造函数Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; //删除赋值运算符Singleton(Singleton&&) = delete; //删除移动构造函数Singleton& operator=(Singleton&&) = delete; //删除移动赋值运算符public:static Singleton* getInstance() //静态成员函数，获取实例{static Singleton instance; //局部静态成员变量，存储实例return &instance;}
};int main()
{Singleton* s1 = Singleton::getInstance();Singleton* s2 = Singleton::getInstance();return 0;
}

• 反汇编分析如下。