C++单例：打造真正的静态单例模式

2023-11-01 11:14:02

C++语言中的单例模式是一种非常重要的设计模式，它可以确保一个类只能被实例化一次。在之前的文章中，我们讨论了为什么不能直接将单例类设计为静态变量，而是需要实例化一个对象。现在，让我们进一步探讨一下这个问题，并提供一种改进的单例模式实现。

单例模式的局限性

传统的单例模式实现通常使用静态变量来保存单例对象的实例。这种实现方式虽然简单，但是在某些情况下存在局限性。例如，当存在子类继承单例类时，就会产生问题。

考虑以下示例代码：

class Base {
public:
    static Base& getInstance() {
        static Base instance;
        return instance;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    static Derived& getInstance() {
        static Derived instance;
        return instance;
    }
};

在这个例子中，我们定义了一个基类Base和一个子类Derived，这两个类都实现了单例模式。如果我们使用传统的实现方式，那么当我们调用Derived::getInstance()函数时，将会返回基类Base的实例，而不是子类Derived的实例。这是因为静态变量instance是在编译时就分配内存的，而子类Derived是在运行时才创建的。

为了解决这个问题，我们可以使用一种改进的单例模式实现，即双重校验锁机制。

双重校验锁机制

双重校验锁机制是一种线程安全的单例模式实现方式。它的基本原理是，在第一次访问单例对象时，先检查它是否已经存在，如果没有，再创建一个新的单例对象。

考虑以下示例代码：

class Base {
private:
    static Base* instance;
    static std::mutex mutex;

public:
    static Base& getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
            if (instance == nullptr) {
                instance = new Base();
            }
        }

        return *instance;
    }

protected:
    Base() {}
    virtual ~Base() {}
};

class Derived : public Base {
public:
    static Derived& getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
            if (instance == nullptr) {
                instance = new Derived();
            }
        }

        return *instance;
    }

protected:
    Derived() {}
    virtual ~Derived() {}
};