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C++面试题：如何实现单例模式？

在C++编程中，单例模式是一种常用的设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。这种模式在资源管理、数据库连接等方面有广泛的应用。本文将详细介绍如何在C++中实现单例模式，包括懒汉式、饿汉式、双重校验锁、静态内部类和枚举单例等实现方式。

懒汉式单例

懒汉式单例是在第一次使用时才创建实例，这种方式可以提高程序的启动速度。以下是懒汉式单例的代码实现：

class Singleton {

private:

    static Singleton* instance;

    Singleton() {}

    Singleton(const Singleton&) = delete;

    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;



public:

    static Singleton* getInstance() {

        if (instance == nullptr) {

            instance = new Singleton();

        }

        return instance;

    }

};



Singleton* Singleton::instance = nullptr;

饿汉式单例

饿汉式单例是在类加载时就创建实例，这种方式简单易实现，但会占用一些内存。以下是饿汉式单例的代码实现：

class Singleton {

private:

    static Singleton instance;

    Singleton() {}

    Singleton(const Singleton&) = delete;

    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;



public:

    static Singleton& getInstance() {

        return instance;

    }

};



Singleton Singleton::instance;

双重校验锁单例

双重校验锁单例结合了懒汉式和饿汉式的优点，它既保证了线程安全，又避免了饿汉式单例的内存浪费。以下是双重校验锁单例的代码实现：

class Singleton {

private:

    static Singleton* instance;

    static pthread_mutex_t mutex;

    Singleton() {}

    Singleton(const Singleton&) = delete;

    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;



public:

    static Singleton* getInstance() {

        if (instance == nullptr) {

            pthread_mutex_lock(&mutex);

            if (instance == nullptr) {

                instance = new Singleton();

            }

            pthread_mutex_unlock(&mutex);

        }

        return instance;

    }

};



Singleton* Singleton::instance = nullptr;

pthread_mutex_t Singleton::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

静态内部类单例

静态内部类单例利用了静态内部类和Java虚拟机的类加载机制来实现单例。以下是静态内部类单例的代码实现：

class Singleton {

private:

    Singleton() {}

    Singleton(const Singleton&) = delete;

    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;



public:

    static Singleton& getInstance() {

        static Singleton instance;

        return instance;

    }

};

枚举单例

枚举单例是Java中的一种实现方式，在C++中也可以使用枚举来实现单例。以下是枚举单例的代码实现：

enum Singleton {

    INSTANCE = 0

};



class Singleton {

private:

    Singleton() {}

    Singleton(const Singleton&) = delete;

    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;



public:

    static Singleton& getInstance() {

        return *INSTANCE;

    }

};

案例分析

以下是一个使用单例模式实现数据库连接的案例：

class Database {

private:

    static Database* instance;

    Database() {}

    Database(const Database&) = delete;

    Database& operator=(const Database&) = delete;



public:

    static Database* getInstance() {

        if (instance == nullptr) {

            instance = new Database();

        }

        return instance;

    }



    void connect() {

        // 连接数据库

    }



    void disconnect() {

        // 断开数据库连接

    }

};



Database* Database::instance = nullptr;

通过以上案例，我们可以看到单例模式在资源管理方面的应用。在实际开发中，我们可以根据需求选择合适的单例实现方式。

总结

本文介绍了C++中实现单例模式的几种方式，包括懒汉式、饿汉式、双重校验锁、静态内部类和枚举单例。在实际开发中，我们需要根据具体需求选择合适的单例实现方式，以确保程序的稳定性和效率。