什麼是單例模式(Singleton pattern)?

單例確保類別(class)只存在一個實例，且該實例就像全域變數一般，可被同程式的任何人訪問。

解決的問題:

1. 有些類別只需要初始化及創建一次，並防止後續又被使用者再次創建。
2. 提供全域訪問

C++範例:

class Singleton
{
public:
    // 使用者透過呼叫GetInstance取得類別的實例
    // 注意此類別的ctor已移至private，防止使用者自行創建實例
    static Singleton *GetInstance()
    {
        // 首次呼叫會創建實體，後續的呼叫則回傳已創建實例的指標
        if (obj == nullptr)
            obj = new Singleton();
        return obj;
    }

    void DoSomething()
    {
        //...
    }

private:
    static Singleton *obj;
    Singleton() {}
};

Singleton *Singleton::obj = nullptr;

// 類別使用方法
int main()
{
    // 呼叫GetInstance獲取實例
    Singleton *instance = Singleton::GetInstance();
    instance->DoSomething();
}

對於多線程程式，上述的Singleton範例並不是thread-safe。假設線程A 通過了上述的if (obj == nullptr)，準備要執行obj = new Singleton();，此時若線程B 也剛好通過了if (obj == nullptr)，則將會有兩個實例被創建，這不是我們想要的。

對於此問題，Scott Meyers的Effective C++一書提到，可利用local static object在第一次被呼叫使用才初始化的特性來優化:

class Singleton
{
public:
    static Singleton &GetInstance()
    {
        // obj是local static object，在第一次被創建後，之後不
        // 管再進來幾次，都會跳過創建的流程而返回已創建的實例
        static Singleton obj;
        return obj;
    }

    void DoSomething()
    {
        //...
    }

private:
    Singleton();
};

// 類別使用方法
int main()
{
    Singleton &instance = Singleton::GetInstance();
    instance.DoSomething();
}

以上範例在C++11後是保證thread-safe。