1 - 什么是单例模式？
单例模式（Singleton Pattern）是软件程序设计中最简单的设计模式之一，单例模式在设计模式分类中，是属于创建型模式，它提供了一种创建对象（实例，变量）的最佳实践方式。
顾名思义，单例（也叫单件），也就是在整个程序设计中，只存在一个单一的类（C语言中叫“类型”，通常用结构体类型表示），这个类负责创建一个对象（C语言中叫“定义变量”，通常是指结构体变量）
并且，通过这个类创建的对象，在整个程序中，有且只有一个，同时，这个类提供了一种访问这个类对象的唯一方式，并且可以对类对象直接访问，而不需要再重新创建。
使用单例模式设计的类，有以下特征：
（1）单例类，有且只有一个类对象（实例）
（2）单例类必须提供一个方法（函数），用来创建属于自己的唯一类对象。
（3）其他对象都可以访问这个单例类创建的唯一类对象。
在嵌入式C语言中，简单概括就是，先创建一个结构体类型，通过这个结构体类型定义出来的结构体变量，在整个程序中，有且只有一个，其他函数可以通过特定的方式（比如指针），获得这个结构体变量。
单例，通俗来说，就是有且只有一个，并且全局可访问。（在多线程场合，要注意线程安全）
2 – 什么情况下要用单例模式？
在需要保证程序全局只能有一个实例（也就是结构体变量）的时候，需要用到单例模式。
单例模式很好地解决了同一个类型的结构体变量被反复创建，也就是被反复malloc，反复malloc会造成内存资源的浪费。
当你想控制整个程序里面同一个类型的结构体变量数目，从而节省系统资源的时候，单例模式就是一种很好的实践方案。
举个例子：
对于某颗芯片的某个串口外设，比如STM32的UART1，整个芯片都只有一个UART1，在多线程的业务场景下，可能会存在多个线程同时使用UART1外设的情况。
如果每个线程在使用UART1外设时，都对其进行初始化，然后可能会同时调用读和写函数，这样就会造成资源竞争和抢夺，多次重复初始化，也会造成内存资源的浪费。
单例模式就是为了解决这个问题而存在的。
虽然有多个线程，但每个线程在获取串口操作句柄的时候，都需要先申请互斥锁，申请成功后，再获取串口句柄对象，这个对象在整个应用程序里面，是唯一的，然后就可以使用这个唯一的句柄，去操作实际的串口外设了。
3 – 如何使用单例模式？
在嵌入式软件中，要使用单例模式，最大的关键在于，我们在创建一个结构体指针变量的时候，需要先判断这个结构体指针变量是否已经存在。
也就是说，要先判断这个结构体指针变量是否已经获得了内存空间，如果是，则直接返回该内存空间的指针。如果不是，则用malloc创建，并返回创建后的内存指针。
通常使用一个函数调用malloc来为该结构体指针变量分配内存空间（当然，也可以用静态内存的方式进行创建，而不调用malloc）。
以下是具体的代码示例。
1、先创建一个singleton_pattern.h头文件，并在这个头文件声明一个串口操作类，这个类包含了串口设备的属性和操作方法，如下图所示。
2、然后在singleton_pattern.c文件中，实现了串口操作方法，主要是串口设备的初始化，串口设备的读操作和写操作。限于篇幅，这三个函数都只实现了打印功能，开发者可以根据实际项目情况重写这三个函数。
3、单例模式在使用的时候，可以通过一个函数来获取这个唯一的实例对象，如果这个对象没有被创建，则进行创建。如果对象已经被创建，则直接返回对象的指针，如下图所示。
4、在使用的时候，可以直接调用get_uart_handler来获取对象实例，获取后就可以通过这个实例来操作串口设备了，无论线程里面调用多少次，获取到的对象实例都是同一个东西，在程序里面，它是唯一的，如下图所示。
5、需要注意的是，由于这个对象实例在全局是唯一的，多个线程访问的时候，会存在资源竞争的问题，因此，在使用这个对象实例的时候，要使用互斥锁进行线程安全处理。
6、如果确定在程序的生命周期里面，不再使用这个对象实例，可以对其进行销毁操作，如下图所示。
4 – 怎样验证单例模式？
由于我们是在嵌入式系统中验证单例模式，所以，本例程的代码，都是在嵌入式开发板中进行运行并输出结果进行验证。
（代码是使用标准C语言进行编写，也可以在PC端进行验证，只需更换对应的编译器即可）
开发板是使用NXP i.MX6ULL开发板，并且已经根据开发板官方提供的文档资料，搭建好开发环境。
把编译出来的程序下载到开发板里面，执行结果如下图所示。
本文代码下载链接：
c_design_pattern: 嵌入式 C 语言设计模式代码仓库
或在公众号回复【设计模式源码】