一、什么是单例

单例 Singleton 是设计模式的一种，其特点是只提供唯一一个类的实例,具有全局变量的特点，在任何位置都可以通过接口获取到那个唯一实例;
具体运用场景如：

设备管理器，系统中可能有多个设备，但是只有一个设备管理器，用于管理设备驱动;
数据池，用来缓存数据的数据结构，需要在一处写，多处读取或者多处写，多处读取;

二、C++单例的实现

2.1 基础要点

全局只有一个实例：static 特性，同时禁止用户自己声明并定义实例（把构造函数设为 private）
线程安全
禁止赋值和拷贝
用户通过接口获取实例：使用 static 类成员函数

2.2 C++ 实现单例的几种方式

2.2.1 有缺陷的懒汉式

懒汉式(Lazy-Initialization)的方法是直到使用时才实例化对象，也就说直到调用get_instance() 方法的时候才 new 一个单例的对象，如果不被调用就不会占用内存。

#include <iostream>
// version1:
// with problems below:
// 1. thread is not safe
// 2. memory leak

class Singleton{
private:
    Singleton(){
        std::cout<<"constructor called!"<<std::endl;
    }
    Singleton(Singleton&)=delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
    static Singleton* m_instance_ptr;
public:
    ~Singleton(){
        std::cout<<"destructor called!"<<std::endl;
    }
    static Singleton* get_instance(){
        if(m_instance_ptr==nullptr){
              m_instance_ptr = new Singleton;
        }
        return m_instance_ptr;
    }
    void use() const { std::cout << "in use" << std::endl; }
};

Singleton* Singleton::m_instance_ptr = nullptr;

int main(){
    Singleton* instance = Singleton::get_instance();
    Singleton* instance_2 = Singleton::get_instance();
    return 0;
}

运行的结果是constructor called!

可以看到，获取了两次类的实例，却只有一次类的构造函数被调用，表明只生成了唯一实例，这是个最基础版本的单例实现，他有哪些问题呢？

线程安全的问题,当多线程获取单例时有可能引发竞态条件：第一个线程在if中判断?m_instance_ptr是空的，于是开始实例化单例;同时第2个线程也尝试获取单例，这个时候判断m_instance_ptr还是空的，于是也开始实例化单例;这样就会实例化出两个对象,这就是线程安全问题的由来;?解决办法:加锁
内存泄漏. 注意到类中只负责new出对象，却没有负责delete对象，因此只有构造函数被调用，析构函数却没有被调用;因此会导致内存泄漏。解决办法：使用共享指针;

因此，这里提供一个改进的，线程安全的、使用智能指针的实现;

2.2.2 线程安全、内存安全的懒汉式单例（智能指针，锁）

#include <iostream>
#include <memory> // shared_ptr
#include <mutex>  // mutex

// version 2:
// with problems below fixed:
// 1. thread is safe now
// 2. memory doesn't leak

class Singleton{
public:
    typedef std::shared_ptr<Singleton> Ptr;
    ~Singleton(){
        std::cout<<"destructor called!"<<std::endl;
    }
    Singleton(Singleton&)=delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
    static Ptr get_instance(){

        // "double checked lock"
        if(m_instance_ptr==nullptr){
            std::lock_guard<std::mutex> lk(m_mutex);
            if(m_instance_ptr == nullptr){
              m_instance_ptr = std::shared_ptr<Singleton>(new Singleton);
            }
        }
        return m_instance_ptr;
    }


private:
    Singleton(){
        std::cout<<"constructor called!"<<std::endl;
    }
    static Ptr m_instance_ptr;
    static std::mutex m_mutex;
};

// initialization static variables out of class
Singleton::Ptr Singleton::m_instance_ptr = nullptr;
std::mutex Singleton::m_mutex;

int main(){
    Singleton::Ptr instance = Singleton::get_instance();
    Singleton::Ptr instance2 = Singleton::get_instance();
    return 0;
}

运行结果如下，发现确实只构造了一次实例，并且发生了析构。

constructor called! destructor called!

shared_ptr和mutex都是C++11的标准，以上这种方法的优点是

基于 shared_ptr, 用了C++比较倡导的 RAII思想，用对象管理资源,当 shared_ptr 析构的时候，new 出来的对象也会被 delete掉。以此避免内存泄漏。
加了锁，使用互斥量来达到线程安全。这里使用了两个 if判断语句的技术称为双检锁；好处是，只有判断指针为空的时候才加锁，避免每次调用 get_instance的方法都加锁，锁的开销毕竟还是有点大的。

不足之处在于：使用智能指针会要求用户也得使用智能指针，非必要不应该提出这种约束; 使用锁也有开销; 同时代码量也增多了，实现上我们希望越简单越好。

还有更加严重的问题，在某些平台（与编译器和指令集架构有关），双检锁会失效！具体可以看这篇文章，解释了为什么会发生这样的事情。

因此这里还有第三种的基于 Magic Staic的方法达到线程安全

2.2.3 最推荐的懒汉式单例(magic static )——局部静态变量

#include <iostream>

class Singleton
{
public:
    ~Singleton(){
        std::cout<<"destructor called!"<<std::endl;
    }
    Singleton(const Singleton&)=delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
    static Singleton& get_instance(){
        static Singleton instance;
        return instance;

    }
private:
    Singleton(){
        std::cout<<"constructor called!"<<std::endl;
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Singleton& instance_1 = Singleton::get_instance();
    Singleton& instance_2 = Singleton::get_instance();
    return 0;
}

运行结果constructor called! destructor called!

C++可继承的单例基类模板

// author: sunchaothu
// brief: a singleton base class offering an easy way to create singleton
#include <iostream>

template<typename T>
class Singleton{
public:
    static T& get_instance() noexcept(std::is_nothrow_constructible<T>::value){
        static T instance;
        return instance;
    }
    virtual ~Singleton() noexcept{
        std::cout<<"destructor called!"<<std::endl;
    }
    Singleton(const Singleton&)=delete;
    Singleton& operator =(const Singleton&)=delete;
protected:
    Singleton(){
        std::cout<<"constructor called!"<<std::endl;
    }

};
/********************************************/
// Example:
// 1.friend class declaration is requiered!
// 2.constructor should be private


class DerivedSingle:public Singleton<DerivedSingle>{
   // !!!! attention!!!
   // needs to be friend in order to
   // access the private constructor/destructor
   friend class Singleton<DerivedSingle>;
public:
   DerivedSingle(const DerivedSingle&)=delete;
   DerivedSingle& operator =(const DerivedSingle&)= delete;
private:
   DerivedSingle()=default;
};

int main(int argc, char* argv[]){
    DerivedSingle& instance1 = DerivedSingle::get_instance();
    DerivedSingle& instance2 = DerivedSingle::get_instance();
    return 0;
}

关键处

子类需要把自己作为模板参数，如?class DerivedSingle:public Singleton<DerivedSingle>；
这里用到的是CRTP(Curiously recurring template pattern)?奇异循环模板模式
在子类中需要把基类?Singleton?声明为友元;这样才能访问私有构造函数（这个链接里还提供了不需要声明为友元的实现）
这个使用了局部静态变量保证了线程安全，成为 Magic Static。

使用限制

继承了这个类的代码不可以作为基类再被继承。

class A
{
public:
	A() = default;
	A(int a) : _a(a){}
	//C++11
	// 禁止编译器生成默认的拷贝构造函数以及赋值运算符重载
	A(const A&) = delete;
	A& operator=(const A&) = delete;
private:
	int _a;
	//C++98，设置成private就可以了
	A(const A&) = private;
	A& operator=(const A&) = private;
};