C++ 单例模式的实现示例与相关疑问

1、实现示例

例子为c++中，有一个类CThreadManager，我想把他做成单例模式，下面给出框架示例的头文件与源文件

头文件 (`CThreadManager.h`):

#ifndef CTHREADMANAGER_H
#define CTHREADMANAGER_H

#include <mutex>

class CThreadManager {
public:
    // 获取单例实例
    static CThreadManager& getInstance();

    // 删除拷贝构造函数和赋值操作符，防止复制
    CThreadManager(const CThreadManager&) = delete;
    CThreadManager& operator=(const CThreadManager&) = delete;

    // 添加所需的成员函数
    void doWork(); // 示例成员函数

private:
    // 私有构造函数和析构函数
    CThreadManager();
    ~CThreadManager();

    // 静态成员变量
    static CThreadManager* instance;
    static std::mutex mutex_;
};

#endif // CTHREADMANAGER_H

源文件 (`CThreadManager.cpp`):

#include "CThreadManager.h"
#include <iostream>

CThreadManager* CThreadManager::instance = nullptr;
std::mutex CThreadManager::mutex_;

// 获取单例实例
CThreadManager& CThreadManager::getInstance() {
    if (instance == nullptr) { // 双检锁确保线程安全
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        if (instance == nullptr) {
            instance = new CThreadManager();
        }
    }
    return *instance;
}

// 构造函数
CThreadManager::CThreadManager() {
    std::cout << "CThreadManager initialized" << std::endl;
}

// 析构函数
CThreadManager::~CThreadManager() {
    std::cout << "CThreadManager destroyed" << std::endl;
    delete instance; // 释放资源
    instance = nullptr;
}

// 示例成员函数
void CThreadManager::doWork() {
    std::cout << "CThreadManager is working" << std::endl;
}

2、相关疑问

1）开头#ifndef CTHREADMANAGER_H #define CTHREADMANAGER_H的作用是什么

这些是头文件保护符，它们的作用是防止头文件被重复包含，从而避免编译错误。

现代 C++ 提供了 #pragma once，效果与头文件保护符相同，且更简洁。

#pragma once 是一种编译器指令，在大多数主流编译器（如 GCC（Linux系统默认编译器）、Clang、MSVC）中都能正常工作。

2）获取单例使用的是static CThreadManager& getInstance();，这与static CThreadManager* getInstance();有什么区别吗

在 C++ 中，使用 static CThreadManager& getInstance() 和 static CThreadManager* getInstance() 的主要区别是返回值的类型——引用与指针。两者在语法、内存管理和使用场景上有一些细微的差别：

1. 返回值类型是引用 (`CThreadManager&`)

引用返回：CThreadManager& getInstance() 返回一个引用，意味着你返回的是单例对象的直接引用。在调用时，不需要解引用指针，代码更加简洁。
安全性：返回引用的单例通常被认为更安全，因为引用不能为 nullptr。如果你能够访问单例对象，那它一定是有效的，不需要显式地检查是否为空。避免了因访问空指针（nullptr）而引发的崩溃。
语法简洁：使用引用时，访问实例的代码更直接，不需要使用箭头 -> 运算符。

示例：

CThreadManager& manager = CThreadManager::getInstance();
manager.doWork();  // 直接调用成员函数

优点：

引用保证了你总是能访问到有效的对象。
语法简洁直观。

缺点：

引用不能为 nullptr，这意味着如果没有正确初始化单例，代码会出错。
无法显式地处理对象不存在的情况。

2. **返回值类型是指针 (`CThreadManager*`)**

指针返回：CThreadManager* getInstance() 返回一个指针，意味着你获得的是单例对象的内存地址。你可以使用 nullptr 来表示单例尚未初始化的情况。
灵活性：指针的返回类型在某些情况下可以提供更大的灵活性。例如，你可以返回 nullptr 来表示单例没有初始化或某些条件下的不可用状态。
需要显式检查空指针：调用时必须显式检查指针是否为 nullptr，如果是空指针则不能访问对象，避免程序崩溃。

示例：

CThreadManager* manager = CThreadManager::getInstance();
if (manager) {
    manager->doWork();  // 使用箭头操作符访问成员函数
}

优点：

可以明确地表示单例未初始化或不可用的状态（nullptr）。
可以在函数返回前检查指针是否为 nullptr，更适合需要处理错误状态的场合。

缺点：

必须检查指针是否为 nullptr，增加了代码的复杂性。
比起引用，指针语法稍显冗长，需要使用箭头运算符（->）来访问成员。

3. 推荐使用引用还是指针？

推荐使用引用 (CThreadManager& getInstance())：在实现单例模式时，通常建议返回引用，因为引用更简洁且不需要显式地处理空值。单例模式本身通常假定对象始终存在，因此引用更符合这种假设，且访问起来更直观。
使用指针 (CThreadManager* getInstance()) 适合那些需要处理单例可能尚未初始化的情况，或者当单例的存在性是可选的，返回指针可以提供更多的灵活性。

总结：

static CThreadManager& getInstance() 返回引用，通常更简洁、安全，适用于你假设单例对象始终有效的场景。
static CThreadManager* getInstance() 返回指针，适用于你可能需要返回空指针来表示单例不可用的情况，或者需要处理不同状态下的初始化。

大多数情况下，使用返回引用的方式（CThreadManager& getInstance()）会更简单且符合单例模式的惯例，除非有特殊需求需要返回指针。

3）CThreadManager(const CThreadManager&) = delete; CThreadManager& operator=(const CThreadManager&) = delete;这两句的目的是什么

这两句代码的目的是防止对象被复制或赋值，确保单例模式的唯一性。

单例模式的核心要求：

单例模式的核心是全局唯一性，整个程序中只允许创建一个实例。
如果允许通过拷贝构造或赋值操作复制单例对象，会破坏单例模式的约束，从而导致多个实例的存在。

4）CThreadManager 的构造函数与析构函数都变为私有，目的是保证只有通过getInstance()来进行构造吗

将 构造函数 和 析构函数 设为私有，确保外部无法直接创建或销毁单例对象，保证了单例模式的唯一性。
getInstance() 是唯一的获取实例的途径，它确保了整个程序中只有一个实例，并且实例的生命周期由程序控制。