1、前言

單例模式屬于創建型模式，保證一個類僅有一個實體，并提供一個訪問它的全域訪問點，

單例模式確保某一個類只有一個實體，而且自行實體化并向整個系統提供這個實體，這個類稱為單例類，它提供全域訪問的方法，

2、介紹

2.1、主要解決

防止一個系統全域使用的類頻繁地創建與銷毀、解決多執行緒并發訪問的問題和節約系統記憶體等，提高系統運行的效率，提高系統性能，

什么情況需要使用全域的類？通常是對共享資源的使用，

比如需要實作系統控制列印機作業，一般都會定義一個“列印機管理類”用來管理列印機的各個功能，有多個模塊都需要控制列印機作業，在沒有使用單例模式的情況下，會遇到一下問題：

模塊會在需要列印時創建“列印機管理類”，列印完成即銷毀，如果需要頻繁列印，那么就會頻繁地創建和銷毀該類；
如果列印完成不銷毀呢？那么多個模塊都會創建“列印機管理類”，浪費系統資源；
一旦出現多個模塊同時需要列印，就要解決各模塊之間的列印同步問題，畢竟列印機只有一個，

使用單例模式后：

單例模式會自行創建，同時只提供一個全域訪問的類，因此不會造成系統資源的浪費，因此也沒有了頻繁地創建和銷毀的需求，
多個模塊同時需要列印時，只需要由全域的“列印機管理類”實體對列印的任務進行同步管理，無需多個模塊之間解決同步的問題，提高系統運行的效率，

2.2、優缺點

單例模式的使用需要根據實際情況使用，以下是該設計模式的優缺點，

優點：

在記憶體里只有一個實體，減少了記憶體的開銷，尤其是頻繁的創建和銷毀實體；
避免了多執行緒并發訪問時只需要該類管理同步即可，提高系統運行的效率，提高系統性能，

缺點：

沒有介面，不能繼承，與單一職責原則沖突；
單例模式可能掩蓋不良設計，比如程式各組件之間相互了解過多等，

3、實作

在了解單例模式可以解決什么問題的情況下，那么如何實作一個單例模式呢？

在類中添加一個該類的私有靜態成員變數用于保存單例實體，
宣告一個公有靜態構建方法用于獲取單例實體，
將類的建構式設為私有，

3.1、懶漢設計

顧名思義，不到萬不得已就不會去實體化類，物件只有被呼叫時才去創建，這種方式是最基本的實作方式，但這種實作最大的問題就是不支持多執行緒，屬于執行緒不安全的，在多執行緒使用中，容易多次創建實體，因此嚴格的來說，并不算單例模式，

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全域訪問實體節點
	{
		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
			ms_pinstance = new CPrinter();
		}
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;

int main()
{
    CPrinter::GetInstance()->Work();

    return 0;
}

為了解決在多執行緒使用中，容易多次創建實體的問題，可以加上互斥鎖，這樣就保證了執行緒安全，

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全域訪問實體節點
	{
        ms_initMutex.lock();

		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
			ms_pinstance = new CPrinter();
		}

        ms_initMutex.unlock();
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;
    static std::mutex ms_initMutex;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

// 類外初始化
CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;
std::mutex CPrinter::ms_initMutex;


int main()
{
    /* 創建執行緒1 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    /* 創建執行緒2 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}

3.2、懶漢設計+雙重校驗鎖

雖然上述的優化后的懶漢設計實作解決了執行緒安全的問題，但加鎖會影響效率，為了解決執行緒安全的問題，同時提高效率，采用雙重檢查加鎖機制，先判斷是否為 nullptr，如果不為空，則直接回傳實體，避免加鎖影響效率，而加鎖之后再判斷，是為了防止在加鎖之前多個執行緒都進入且競爭互斥鎖，避免下一個執行緒獲取鎖后再次創建實體，

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全域訪問實體節點
	{
		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
		    ms_initMutex.lock(); // 如果為空則加鎖
		    
		    if (ms_pinstance == nullptr)
		    {
		        ms_pinstance = new CPrinter();
		    }
			
			ms_initMutex.unlock();
		}
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;
    static std::mutex ms_initMutex;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

// 類外初始化
CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;
std::mutex CPrinter::ms_initMutex;


int main()
{
    /* 創建執行緒1 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    /* 創建執行緒2 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}

3.3、餓漢設計

餓漢模式就是在單例類定義的時候（即在main函式之前）就進行實體化，因為main函式執行之前，全域作用域的類成員靜態變數ms_instance 已經初始化，因此就不存在多執行緒的問題，

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全域訪問實體節點
	{
		return &ms_instance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter ms_instance;
    
  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

CPrinter CPrinter::ms_instance;

int main()
{
    std::thread([=]{ 
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}

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