C++ 进阶面试题, C++ 中如何实现一个单例模式?

QA

Step 1

Q:: C++ 中如何实现一个单例模式？

A:: 单例模式是一种设计模式，旨在确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。在 C++ 中，通常通过私有构造函数、私有拷贝构造函数、私有赋值操作符以及一个静态方法来实现。示例如下：

 
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;

通过以上代码，Singleton 类只能创建一个实例，并且可以通过 getInstance 方法访问该实例。

Step 2

Q:: 如何实现线程安全的单例模式？

A:: 在多线程环境下，单例模式的实现需要考虑线程安全问题。可以使用以下几种方式确保线程安全： 1. **双重检查锁定（Double-Checked Locking）**: 使用互斥锁（如 std::mutex）来确保在创建实例时的线程安全，但只在必要时锁定。

 
class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mtx;
    Singleton() {};
public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if (instance == nullptr) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

2. 使用 std::call_once: C++11 引入的 std::call_once 可以确保某段代码只被执行一次，这使得单例模式的实现更加简洁。

 
class Singleton {
private:
    static std::once_flag initFlag;
    static Singleton* instance;
    Singleton() {};
public:
    static Singleton* getInstance() {
        std::call_once(initFlag, []() {
            instance = new Singleton();
        });
        return instance;
    }
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::initFlag;

Step 3

Q:: 如何在 C++ 中实现一个懒汉式单例和饿汉式单例？

A:: 懒汉式单例和饿汉式单例是单例模式的两种实现方式： 1. 懒汉式单例：实例在第一次使用时创建。

 
class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() {};
public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

2. 饿汉式单例：在类加载时实例就被创建。

 
class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() {};
public:
    static Singleton* getInstance() {
        return instance;
    }
};
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();

用途

单例模式在实际生产环境中非常常见，特别是当需要确保某个类只有一个实例时，例如数据库连接池、线程池、配置管理器、日志系统等。面试中考察单例模式的实现，不仅可以验证候选人对设计模式的理解，还能考察他们在多线程环境下的编程能力，以及如何高效地使用 C`++` 语言特性来解决问题。\n

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