單例模式及優化

單例模式是一種創建型設計模式，其核心是確保一個類在程序中只能存在唯一實例，并提供一個全局訪問點。這種模式適用于需要集中管理資源（如日志、配置、連接池）的場景，避免資源沖突和重復創建的開銷。

一、介紹

類型

單例模式的核心是限制實例化，但根據實例創建時機的不同，分為餓漢式和懶漢式兩種實現方式：

1. 餓漢式（Eager Initialization）
  • 特點：程序啟動時（類加載階段）就創建實例，無論是否使用。
  • 優點：實現簡單，天然線程安全（C++中全局變量初始化在主線程執行）。
  • 缺點：如果實例占用資源大且始終未被使用，會造成資源浪費。
2. 懶漢式（Lazy Initialization）
  • 特點：第一次使用時才創建實例，延遲初始化。
  • 優點：避免資源浪費，適合實例化成本高的場景。
  • 缺點：基礎實現線程不安全，需要額外處理多線程同步問題。
    選擇餓漢式還是懶漢式，需根據實例化成本、使用頻率和線程環境綜合判斷：資源占用小且必用→餓漢式；資源占用大或不一定使用→懶漢式。
單例模式的優點
  1. 唯一實例
    • 確保類在整個程序中只有一個實例，避免資源沖突
  2. 全局訪問
    • 提供統一的訪問點，方便在程序任何地方使用
  3. 資源控制
    • 集中管理資源（如文件、網絡連接），避免重復創建銷毀
  4. 延遲初始化
    • 只有在首次使用時才初始化，節省系統資源
  5. 線程安全（優化后）
    • 現代實現可保證多線程環境下的安全性
單例模式的適用場景
  1. 全局資源管理器
    • 日志管理器：確保所有日志寫入同一文件/系統
    • 配置管理器：全局共享一份配置數據
    • 連接池：數據庫/網絡連接的統一管理
  2. 設備訪問控制
    • 打印機管理器：避免多個程序同時操作硬件
    • 傳感器接口：確保數據讀取的一致性
  3. 全局狀態存儲
    • 應用程序上下文：存儲全局狀態信息
    • 緩存管理器：全局共享緩存數據

二、實現

以一個線程安全的日志管理器為例

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <sstream>// 單例模式：日志管理器
class Logger {
private:// 私有構造函數：防止外部實例化Logger() {logFile_.open("app.log", std::ios::app);if (!logFile_.is_open()) {throw std::runtime_error("無法打開日志文件");}log("Logger 初始化完成");}// 私有析構函數：防止外部銷毀~Logger() {if (logFile_.is_open()) {log("Logger 已關閉");logFile_.close();}}// 禁用拷貝構造和賦值運算符Logger(const Logger&) = delete;Logger& operator=(const Logger&) = delete;// 禁用移動構造和移動賦值Logger(Logger&&) = delete;Logger& operator=(Logger&&) = delete;// 日志文件流std::ofstream logFile_;// 線程安全互斥鎖mutable std::mutex mutex_;// 獲取當前時間字符串std::string getCurrentTime() const {auto now = std::chrono::system_clock::now();std::time_t time = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);return std::ctime(&time);}public:// 全局訪問點：獲取唯一實例static Logger& getInstance() {// 局部靜態變量：C++11后保證線程安全初始化static Logger instance;return instance;}// 日志寫入函數void log(const std::string& message) const {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); // 保證線程安全if (logFile_.is_open()) {logFile_ << "[" << getCurrentTime() << "] " << message << std::endl;}// 同時輸出到控制臺std::cout << "[" << getCurrentTime() << "] " << message << std::endl;}
};// 測試多線程環境下單例的唯一性
void threadFunction(int threadId) {std::stringstream ss;ss << "線程 " << threadId << " 正在寫入日志";Logger::getInstance().log(ss.str());// 模擬工作std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));ss.clear();ss << "線程 " << threadId << " 完成工作";Logger::getInstance().log(ss.str());
}int main() {try {// 主線程日志Logger::getInstance().log("程序啟動");// 創建多個線程測試std::thread t1(threadFunction, 1);std::thread t2(threadFunction, 2);std::thread t3(threadFunction, 3);// 等待線程完成t1.join();t2.join();t3.join();Logger::getInstance().log("程序退出");} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "錯誤: " << e.what() << std::endl;return 1;}return 0;
}
輸出結果（示例）
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] Logger 初始化完成
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] 程序啟動
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] 線程 1 正在寫入日志
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] 線程 2 正在寫入日志
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] 線程 3 正在寫入日志
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] 線程 1 完成工作
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] 線程 2 完成工作
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] 線程 3 完成工作
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] 程序退出
[Thu Aug 22 10:00:00 2024
] Logger 已關閉
應用場景
  1. 日志系統
    • 整個應用使用同一個日志實例，確保日志順序和完整性
  2. 配置管理
    • 讀取配置文件后，全局共享配置信息，避免重復IO操作
  3. 數據庫連接池
    • 管理數據庫連接的創建和復用，防止連接數爆炸
  4. GUI應用
    • 主窗口實例：確保應用程序只有一個主窗口
    • 對話框管理器：統一管理對話框的創建和銷毀
  5. 硬件交互
    • 如打印機、攝像頭等設備的訪問控制，避免沖突

三、優化

優化點
  1. 通用單例基類
    • 使用CRTP（奇異遞歸模板模式）實現通用單例基類，避免重復代碼
    • 派生類只需繼承Singleton<Derived>即可獲得單例特性
  2. 增強的線程安全
    • 采用雙重檢查鎖定（DCLP）+ 原子變量，在保證線程安全的同時減少鎖競爭
    • C++11及以上標準確保局部靜態變量初始化的線程安全性
  3. 資源管理優化
    • 使用std::unique_ptr管理實例，確保自動釋放資源，避免內存泄漏
    • 提供destroyInstance()方法，支持在測試場景下手動銷毀實例
  4. 功能擴展
    • 增加日志級別過濾，可動態設置日志輸出粒度
    • 支持帶時間戳（精確到毫秒）和級別標記的日志格式
    • 控制臺輸出支持彩色顯示，區分不同日志級別
  5. 可測試性提升
    • 允許手動銷毀實例，支持單元測試中的狀態重置
    • 清晰的接口設計便于模擬（Mock）測試
  6. 現代C++特性
    • 使用std::atomic確保指針操作的原子性
    • 采用constexpr和類型安全的枚舉類
    • 使用std::lock_guard進行RAII風格的鎖管理
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <sstream>
#include <memory>
#include <atomic>// 單例基類模板（CRTP模式：Curiously Recurring Template Pattern）
template <typename T>
class Singleton {
protected:// 允許派生類構造Singleton() = default;// 禁止拷貝和移動Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;Singleton(Singleton&&) = delete;Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;public:// 全局訪問點 - 線程安全的延遲初始化static T& getInstance() {// 雙重檢查鎖定（DCLP）優化，減少鎖競爭if (!instance_.load(std::memory_order_acquire)) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (!instance_.load(std::memory_order_relaxed)) {static std::unique_ptr<T> instance(new T());instance_.store(instance.get(), std::memory_order_release);}}return *instance_.load(std::memory_order_acquire);}// 手動銷毀實例（主要用于測試場景）static void destroyInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (instance_.load(std::memory_order_relaxed)) {instance_.store(nullptr, std::memory_order_release);}}protected:static std::atomic<T*> instance_;  // 原子指針確保線程安全static std::mutex mutex_;          // 互斥鎖
};// 初始化靜態成員
template <typename T>
std::atomic<T*> Singleton<T>::instance_(nullptr);template <typename T>
std::mutex Singleton<T>::mutex_;// 日志級別枚舉
enum class LogLevel {DEBUG,INFO,WARNING,ERROR
};// 具體單例類：日志管理器（繼承自單例基類）
class Logger : public Singleton<Logger> {// 允許基類訪問私有構造函數friend class Singleton<Logger>;private:std::ofstream logFile_;mutable std::mutex writeMutex_;  // 日志寫入鎖LogLevel minLogLevel_;           // 日志級別過濾// 私有構造函數 - 初始化日志系統Logger() : minLogLevel_(LogLevel::DEBUG) {logFile_.open("app.log", std::ios::app);if (!logFile_.is_open()) {throw std::runtime_error("無法打開日志文件");}log(LogLevel::INFO, "Logger 初始化完成");}// 日志級別轉字符串std::string levelToString(LogLevel level) const {switch (level) {case LogLevel::DEBUG: return "DEBUG";case LogLevel::INFO: return "INFO";case LogLevel::WARNING: return "WARNING";case LogLevel::ERROR: return "ERROR";default: return "UNKNOWN";}}// 獲取當前時間字符串std::string getCurrentTime() const {auto now = std::chrono::system_clock::now();auto ms = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(now.time_since_epoch() % std::chrono::seconds(1));std::time_t time = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);std::tm tm = *std::localtime(&time);char buffer[32];std::strftime(buffer, sizeof(buffer), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &tm);std::stringstream ss;ss << buffer << "." << std::setw(3) << std::setfill('0') << ms.count();return ss.str();}public:// 設置日志級別過濾void setLogLevel(LogLevel level) {std::lock_guard<std::mutex> lock(writeMutex_);minLogLevel_ = level;}// 日志寫入函數（支持不同級別）void log(LogLevel level, const std::string& message) const {// 日志級別過濾if (level < minLogLevel_) {return;}std::lock_guard<std::mutex> lock(writeMutex_);std::string timeStr = getCurrentTime();std::string levelStr = levelToString(level);std::string logMessage = "[" + timeStr + "] [" + levelStr + "] " + message;// 寫入文件if (logFile_.is_open()) {logFile_ << logMessage << std::endl;}// 控制臺輸出（不同級別不同顏色）switch (level) {case LogLevel::ERROR:std::cerr << "\033[1;31m" << logMessage << "\033[0m" << std::endl;break;case LogLevel::WARNING:std::cout << "\033[1;33m" << logMessage << "\033[0m" << std::endl;break;case LogLevel::INFO:std::cout << "\033[1;32m" << logMessage << "\033[0m" << std::endl;break;default:std::cout << logMessage << std::endl;}}// 便捷日志函數void debug(const std::string& message) const { log(LogLevel::DEBUG, message); }void info(const std::string& message) const { log(LogLevel::INFO, message); }void warning(const std::string& message) const { log(LogLevel::WARNING, message); }void error(const std::string& message) const { log(LogLevel::ERROR, message); }
};// 測試多線程環境
void threadTask(int threadId) {Logger::getInstance().info("線程 " + std::to_string(threadId) + " 啟動");// 模擬工作std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));Logger::getInstance().debug("線程 " + std::to_string(threadId) + " 完成工作");
}int main() {try {// 基本使用示例Logger::getInstance().info("程序啟動");Logger::getInstance().setLogLevel(LogLevel::INFO);  // 設置只顯示INFO及以上級別// 多線程測試std::thread t1(threadTask, 1);std::thread t2(threadTask, 2);std::thread t3(threadTask, 3);t1.join();t2.join();t3.join();// 測試不同日志級別Logger::getInstance().warning("這是一個警告");Logger::getInstance().error("這是一個錯誤");Logger::getInstance().debug("這個DEBUG日志不會顯示（因為日志級別設置）");Logger::getInstance().info("程序退出");// 手動銷毀（可選，主要用于測試）Logger::destroyInstance();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "錯誤: " << e.what() << std::endl;return 1;}return 0;
}
輸出結果（示例）
[2024-08-22 15:30:00.123] [INFO] Logger 初始化完成
[2024-08-22 15:30:00.125] [INFO] 程序啟動
[2024-08-22 15:30:00.126] [INFO] 線程 1 啟動
[2024-08-22 15:30:00.127] [INFO] 線程 2 啟動
[2024-08-22 15:30:00.128] [INFO] 線程 3 啟動
[2024-08-22 15:30:00.230] [WARNING] 這是一個警告
[2024-08-22 15:30:00.231] [ERROR] 這是一個錯誤
[2024-08-22 15:30:00.232] [INFO] 程序退出
優化后的優勢
  1. 更高的復用性
    • 通用單例基類可被多個類復用，減少代碼冗余
  2. 更好的性能
    • 雙重檢查鎖定減少了鎖競爭，提高多線程環境下的性能
  3. 更靈活的功能
    • 日志級別過濾等擴展功能使單例類更實用
  4. 更安全的資源管理
    • 智能指針和RAII確保資源正確釋放，避免內存泄漏
  5. 更好的可測試性
    • 支持手動銷毀實例，便于單元測試和狀態重置

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