[设计模式]单例模式

简介

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单例模式(Singleton Pattern)保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

单例模式是一种对象创建型模式 （可参考 设计模式 创建型模式）。

单例模式是设计模式中最简单的模式。它的用途就是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。

 

结构

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图-单例模式结构图

Singleton : 定义一个接口 Instance() 使得客户端可以访问它的唯一实例。

动机

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在以下情况中，可以考虑应用单例模式：

• 保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

• 当唯一的实例应该对子类可扩展，并且用户应该可以在不改变代码的情况下使用扩展的实例。

实际应用场景

一些资源管理器常常设计成单例模式。

在计算机系统中，需要管理的资源包括软件外部资源，譬如每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler， 以避免两个打印作业同时输出到打印机中。

每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。任务管理器中难以启动两个相同的task。

要点

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1、一个类只能有一个实例。

需要定义一个该类的静态私有变量，使这个类的所有对象都共用这个实例。 

2、实例必须由类自行创建。

单例模式的类只能提供私有的构造函数。如此，才能保证外部无法实例化这个类的对象。

3、必须提供获取实例的方法。

单例模式的类必须提供一个公共的静态函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

实例

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1、懒汉式

你不找懒汉，懒汉根本就懒得去初始化自己的实例。 

instance 初始时没有初始化，只有当第一次调 getInstance() 时才创建实例。

缺点：当有两个线程调 getInstance() 方法，当它们同时执行到 if (null == instance) 这行代码，instance 为 null。

继续向下执行，会生成两个实例，违背了单例模式的初衷。 

public class LazySingleton {

    private LazySingleton() {

        System.out.println("Singleton()");

    }



    private static LazySingleton instance = null;

    

    public static LazySingleton getInstance() {

        if (null == instance) {

            instance = new LazySingleton();

        }        

        return instance;

    }

}

2、饿汉式

饿汉根本等不及别人来找他，不管三七二十一先初始化了自身的实例，生怕自己饿着了。

类默认先直接初始化一个实例，以后调用 getInstance() 总是返回这个已创建好的实例。

缺点：在没有必要获取实例时，已经预先产生了开销。

优点：规避了懒汉式方法的线程问题，不用显示编写线程安全代码。

public class HungerSinleton {

    private HungerSinleton() {

        System.out.println("Singleton()");

    }

    

    private static HungerSinleton instance = new HungerSinleton();

    

    public static HungerSinleton getInstance() {

        return instance;

    }

}

3、双重锁的形式

如果既不想在没有调用 getInstance() 方法时产生开销，又不想发生线程安全问题，就可以采用双重锁的形式。

public class SyncSingleton {

    private SyncSingleton() {

        System.out.println("Singleton()");

    }

    

    private static SyncSingleton instance = null;

    

    public static SyncSingleton getInstance() {

        if (null == instance) {

            synchronized(SyncSingleton.class) {

                if (null == instance) {

                    instance = new SyncSingleton();

                }

            }

        }

        return instance;

    }

}

注：在外面判断了instance实例是否存在，为什么在锁定后又要在内部又判断一次？

这是因为，如果 instance 为 null 时有两个线程同时调用 getInstance()，由于 synchronized 机制，只有一个线程可以进入，另一个需要等待。

这时如果没有第二道 instance 是否为 null 的判断，就可能发生第一个线程创建一个实例，而第二个线程又创建一个实例的情况。

C++版单例模式

下面是一个采用饿汉式的例子

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
using namespace std;

class Singleton
{
private:
    static Singleton *m_instance;
    Singleton()
    {
        cout << "Singleton Construct" << endl;
    }
public:
    static Singleton* GetInstance()
    {
        return m_instance;
    }
};

Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton();


int main()
{
    //Singleton *pSingletonA = new Singleton;  //编译会报错，因为不能访问私有函数
    Singleton *pSingletonA = Singleton::GetInstance();
    Singleton *pSingletonB = Singleton::GetInstance();

    if (pSingletonA == pSingletonB)
        cout << "Same Instance" << endl;
    return 0;
}

推荐阅读

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本文属于 设计模式系列。

 

参考资料

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《大话设计模式》

《HeadFirst设计模式》