单例模式详解
单例模式详解
定义
单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，旨在确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
特点
- 唯一性：保证一个类只有一个实例。
- 全局访问：提供对实例的全局访问点。
- 延迟初始化：仅在需要时创建实例（可选）。
适用场景
- 配置管理：如日志管理器、配置管理器等，需要唯一的全局实例。
- 资源管理：如线程池、数据库连接池。
- 控制访问：如访问计数器、跨模块共享的全局状态。
优缺点
- 优点：
- 降低内存开销。
- 保证全局状态一致性。
- 提供对资源的受控访问。
- 缺点：
- 不适合并发环境（需考虑线程安全）。
- 可能造成代码过度耦合，违反单一职责原则。
使用案例
- 日志系统：确保只有一个日志文件被写入。
- 数据库连接池：确保共享同一个连接池实例以提高性能。
- 配置文件加载器：整个应用程序共享一个配置加载实例。
实现代码
C++ 实现
#include <iostream>
#include <mutex>
class Singleton {
public:
// 禁用拷贝构造和赋值运算符
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
// 获取唯一实例
static Singleton& getInstance() {
static Singleton instance; // 使用C++11的magic static，线程安全
return instance;
}
void doSomething() {
std::cout << "Doing something in Singleton instance!" << std::endl;
}
private:
// 私有化构造函数
Singleton() {
std::cout << "Singleton initialized." << std::endl;
}
};
int main() {
Singleton& instance = Singleton::getInstance();
instance.doSomething();
return 0;
}
C# 实现
using System;
public sealed class Singleton {
private static readonly Lazy<Singleton> lazyInstance =
new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());
// 私有化构造函数
private Singleton() {
Console.WriteLine("Singleton initialized.");
}
public static Singleton Instance => lazyInstance.Value;
public void DoSomething() {
Console.WriteLine("Doing something in Singleton instance!");
}
}
class Program {
static void Main(string[] args) {
Singleton instance = Singleton.Instance;
instance.DoSomething();
}
}
进一步扩展内容
单例模式的变种
1. 饿汉式单例
- 实现：实例在类加载时初始化。
- 特点：
- 初始化时即创建实例，线程安全。
- 如果实例未使用，会浪费资源。
C++ 实现
class Singleton {
public:
static Singleton& getInstance() {
return instance;
}
void doSomething() {}
private:
Singleton() {}
static Singleton instance; // 静态成员变量
};
// 初始化静态成员变量
Singleton Singleton::instance;
C# 实现
public sealed class Singleton {
private static readonly Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton Instance => instance;
}
2. 懒汉式单例
- 实现：实例在首次调用时创建。
- 特点：
- 延迟初始化，减少资源浪费。
- 需要显式处理线程安全问题。
C++ 实现
#include <mutex>
class Singleton {
public:
static Singleton* getInstance() {
if (!instance) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
if (!instance) { // 双重检查锁
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
void doSomething() {}
private:
Singleton() {}
static Singleton* instance;
static std::mutex mutex;
};
// 初始化静态成员
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;
C# 实现
using System;
public sealed class Singleton {
private static Singleton instance;
private static readonly object lockObj = new object();
private Singleton() {}
public static Singleton Instance {
get {
if (instance == null) {
lock (lockObj) {
if (instance == null) { // 双重检查锁
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
}
3. 静态内部类单例（Java风格，C++/C# 不常用）
- 实现：依赖于类加载的线程安全特性。
- 特点：
- 利用静态内部类，确保延迟加载和线程安全。
- C++/C# 的类似实现可以通过
magic static或Lazy<T>实现。
线程安全的实现细节
问题来源
- 多线程环境中，多个线程可能同时创建实例，导致非唯一性或线程死锁。
解决方案
- C++11 的
magic static：- 静态变量的初始化线程安全。
static Singleton& getInstance() { static Singleton instance; return instance; } - 双重检查锁（DCL）：
- 适用于懒汉式单例。
- 减少锁的频率，提高效率。
- C# 的
Lazy<T>：- 提供线程安全的延迟初始化机制。
private static readonly Lazy<Singleton> instance = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());
单例模式与依赖注入（DI）
依赖注入（DI）的定义
依赖注入是一种设计模式，通过将类的依赖项通过构造函数、属性或方法传入，而不是类自己创建依赖对象。
区别
| 特性 | 单例模式 | 依赖注入 |
|---|---|---|
| 实例管理 | 由类自己控制实例的创建。 | 由容器管理实例的创建和生命周期。 |
| 耦合性 | 高耦合（类依赖自身实例）。 | 低耦合（外部控制依赖注入）。 |
| 使用场景 | 全局唯一实例场景。 | 灵活注入不同依赖的场景。 |
| 测试难度 | 难以单元测试（强依赖类内部实现）。 | 易于测试（可替换依赖实现）。 |
结合使用
单例模式和依赖注入并不冲突，单例实例可以作为依赖注入的一部分：
- 容器管理单例实例：通过 DI 容器将单例模式封装，避免手动管理实例。
services.AddSingleton<Singleton>();
示例
在 ASP.NET Core 中：
public interface ILoggerService {
void Log(string message);
}
public class SingletonLogger : ILoggerService {
public void Log(string message) {
Console.WriteLine($"Log: {message}");
}
}
// 注册单例
services.AddSingleton<ILoggerService, SingletonLogger>();
// 使用
public class SomeService {
private readonly ILoggerService _logger;
public SomeService(ILoggerService logger) {
_logger = logger;
}
public void DoWork() {
_logger.Log("Work in progress.");
}
}
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