一、單例模式

單例模式（Singleton Pattern）確保一個(gè)類(lèi)僅有一個(gè)實(shí)例，并提供全局訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。

單例模式核心結(jié)構(gòu)圖：

結(jié)構(gòu)通常包括：

• 一個(gè)私有靜態(tài)實(shí)例（指向自身的指針）
• 一個(gè)私有構(gòu)造函數(shù)（防止外部創(chuàng)建實(shí)例）
• 一個(gè)公共的靜態(tài)方法（用于獲取唯一實(shí)例）

在嵌入式系統(tǒng)中，該模式尤其適用于：

• 全局狀態(tài)：系統(tǒng)配置、錯(cuò)誤日志
• 硬件外設(shè)管理：SPI/I2C控制器
• 資源池：內(nèi)存池、連接池
• 核心管理器：電源管理、安全控制器

嵌入式設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

• 線(xiàn)程安全：需通過(guò)關(guān)中斷、互斥鎖保護(hù)臨界區(qū)（尤其在RTOS中）。
• 無(wú)動(dòng)態(tài)內(nèi)存：優(yōu)先靜態(tài)分配實(shí)例，避免堆內(nèi)存碎片。

二、嵌入式應(yīng)用案例

一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)維護(hù)。

• 非單例模式：每個(gè)模塊（傳感器模塊、控制模塊、通信模塊）各自維護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)，導(dǎo)致：
• 溫度傳感器認(rèn)為系統(tǒng)正常
• 但控制模塊檢測(cè)到故障
• 狀態(tài)不一致引發(fā)危險(xiǎn)操作
• 單例模式：建立中央控制臺(tái)（唯一實(shí)例），所有模塊通過(guò)它訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)狀態(tài)，確保全局決策一致。

1、代碼實(shí)現(xiàn)：

C語(yǔ)言：

#include 
#include 

// 全局狀態(tài)結(jié)構(gòu)體
typedefstruct {
    int system_mode; 
    int error_code;   
    unsignedlong operation_count;  
} SystemState;

// 單例狀態(tài)管理器
typedefstruct {
    SystemState state;
    pthread_mutex_t lock;
} StateManager;

// 全局單例實(shí)例
static StateManager* instance = NULL;

// 獲取單例實(shí)例（線(xiàn)程安全）
StateManager* get_state_manager() {
    if (instance == NULL) {
        // 創(chuàng)建互斥鎖
        staticpthread_mutex_t init_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
        pthread_mutex_lock(&init_lock);
        
        if (instance == NULL) {
            static StateManager manager;
            manager.state.system_mode = 0;
            manager.state.error_code = 0;
            manager.state.operation_count = 0;
            pthread_mutex_init(&manager.lock, NULL);
            instance = &manager;
        }
        
        pthread_mutex_unlock(&init_lock);
    }
    return instance;
}

// 設(shè)置系統(tǒng)模式
void set_system_mode(int mode) {
    StateManager* manager = get_state_manager();
    pthread_mutex_lock(&manager->lock);
    manager->state.system_mode = mode;
    pthread_mutex_unlock(&manager->lock);
}

// 獲取系統(tǒng)模式
int get_system_mode() {
    StateManager* manager = get_state_manager();
    pthread_mutex_lock(&manager->lock);
    int mode = manager->state.system_mode;
    pthread_mutex_unlock(&manager->lock);
    return mode;
}

// 報(bào)告錯(cuò)誤
void report_error(int error_code) {
    StateManager* manager = get_state_manager();
    pthread_mutex_lock(&manager->lock);
    manager->state.error_code = error_code;
    pthread_mutex_unlock(&manager->lock);
}

// 增加操作計(jì)數(shù)
void increment_operation_count() {
    StateManager* manager = get_state_manager();
    pthread_mutex_lock(&manager->lock);
    manager->state.operation_count++;
    pthread_mutex_unlock(&manager->lock);
}

// 打印系統(tǒng)狀態(tài)
void print_system_state() {
    StateManager* manager = get_state_manager();
    pthread_mutex_lock(&manager->lock);
    
    printf("\n=== 系統(tǒng)狀態(tài) ===\n");
    printf("當(dāng)前模式: %s\n", 
           manager->state.system_mode == 0 ? "正常模式" :
           manager->state.system_mode == 1 ? "維護(hù)模式" : "緊急模式");
    printf("錯(cuò)誤代碼: 0x%04X\n", manager->state.error_code);
    printf("操作計(jì)數(shù): %lu\n", manager->state.operation_count);
    
    pthread_mutex_unlock(&manager->lock);
}

// 模擬傳感器模塊
void* sensor_module(void* arg) {
    printf("傳感器啟動(dòng)...\n");
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        increment_operation_count();
        printf("傳感器檢測(cè)中...\n");
        sleep(1);
    }
    returnNULL;
}

// 模擬控制模塊
void* control_module(void* arg) {
    printf("控制器啟動(dòng)...\n");
    sleep(1);
    
    // 模擬檢測(cè)到錯(cuò)誤
    report_error(0xE1A2);
    set_system_mode(2);  // 進(jìn)入緊急模式
    
    printf("控制器檢測(cè)到嚴(yán)重錯(cuò)誤！\n");
    returnNULL;
}

int main() {
    printf("=== 控制系統(tǒng)啟動(dòng) ===\n");
    
    // 初始化狀態(tài)管理器
    get_state_manager();
    print_system_state();
    
    // 創(chuàng)建模擬線(xiàn)程
    pthread_t sensor_thread, control_thread;
    pthread_create(&sensor_thread, NULL, sensor_module, NULL);
    pthread_create(&control_thread, NULL, control_module, NULL);
    
    // 等待線(xiàn)程完成
    pthread_join(sensor_thread, NULL);
    pthread_join(control_thread, NULL);
    
    // 打印最終狀態(tài)
    print_system_state();
    
    printf("\n=== 系統(tǒng)關(guān)閉 ===\n");
    return0;
}

在C語(yǔ)言中，沒(méi)有類(lèi)的概念，因此我們通過(guò)靜態(tài)全局變量和函數(shù)來(lái)模擬單例模式。

• 私有靜態(tài)實(shí)例：靜態(tài)全局指針static StateManager* instance = NULL;，它指向唯一的實(shí)例。而實(shí)例本身是在獲取函數(shù)內(nèi)部使用靜態(tài)局部變量static StateManager manager;來(lái)創(chuàng)建的。這樣，實(shí)例在程序運(yùn)行期間只被初始化一次，并且通過(guò)指針?lè)祷亍?/span>
• 私有構(gòu)造函數(shù)：在C中，通過(guò)靜態(tài)初始化或在獲取函數(shù)內(nèi)部初始化來(lái)實(shí)現(xiàn)。在get_state_manager()函數(shù)中，通過(guò)靜態(tài)局部變量來(lái)創(chuàng)建實(shí)例，并只做一次初始化
• 公共的靜態(tài)方法：即get_state_manager()函數(shù)，它返回單例實(shí)例的指針。同時(shí)，我們還提供了其他操作狀態(tài)的函數(shù)，如set_system_mode(), get_system_mode()等，這些函數(shù)內(nèi)部都會(huì)調(diào)用get_state_manager()來(lái)獲取單例實(shí)例。

C++：

#include 
#include 
#include 
#include 

class StateManager {
private:
    struct State {
        int system_mode = 0;
        int error_code = 0;
        unsignedlong operation_count = 0;
    } state;
    
    std::mutex mtx;  // 非靜態(tài)成員鎖，保護(hù)實(shí)例狀態(tài)
    
    StateManager() = default;  // 私有構(gòu)造函數(shù)

public:
    // 刪除拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值運(yùn)算符
    StateManager(const StateManager&) = delete;
    voidoperator=(const StateManager&) = delete;

    // 使用局部靜態(tài)變量實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全的單例
    static StateManager& getInstance() {
        static StateManager instance;
        return instance;
    }
    
    void setSystemMode(int mode) {
        std::lock_guard lock(mtx);
        state.system_mode = mode;
        state.operation_count++;
    }
    
    int getSystemMode() {
        std::lock_guard lock(mtx);
        return state.system_mode;
    }
    
    void printState() {
        std::lock_guard lock(mtx);
        std::cout << "Mode: " << state.system_mode 
                  << " | Errors: 0x" << std::hex << state.error_code
                  << " | Operations: " << std::dec << state.operation_count << "\n";
    }
};

// 測(cè)試函數(shù)
void threadTask(int mode) {
    StateManager& manager = StateManager::getInstance();
    manager.setSystemMode(mode);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
    manager.printState();
}

int main() {
    std::vector threads;
    
    // 創(chuàng)建多個(gè)線(xiàn)程測(cè)試線(xiàn)程安全
    for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
        threads.emplace_back(threadTask, i);
    }
    
    // 等待所有線(xiàn)程完成
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    // 主線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)
    StateManager::getInstance().printState();
    return0;
}

2、優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

（1）資源高效性：

• 內(nèi)存節(jié)省：僅一個(gè)實(shí)例，減少重復(fù)對(duì)象占用的RAM（關(guān)鍵于資源受限MCU）。
• 性能提升：避免頻繁創(chuàng)建/銷(xiāo)毀對(duì)象（如通信協(xié)議棧），降低CPU開(kāi)銷(xiāo)。

（2）行為一致性：

• 防止硬件狀態(tài)沖突（如多任務(wù)同時(shí)配置UART波特率）。
• 確保全局?jǐn)?shù)據(jù)（如校準(zhǔn)參數(shù)）唯一可信。

缺點(diǎn)：

（1）擴(kuò)展性差：缺乏抽象層，難以通過(guò)繼承擴(kuò)展功能（違反開(kāi)閉原則）。

（2）生命周期問(wèn)題：靜態(tài)實(shí)例長(zhǎng)期占用內(nèi)存，若未被利用則浪費(fèi)資源。

三、嵌入式場(chǎng)景適用性總結(jié)