《剑指offer》面试题2：实现Singleton 模式
面试题2：实现Singleton 模式
题目:设计一个类,我们只能生成该类的一个实例。
只能生成一个实例的类是实现了Singleton (单例)模式的类型。由于设计模式在面向对象程序设计中起着举足轻重的作用,在面试过程中很多公司都喜欢问一些与设计模式相关的问题。在常用的模式中, Singleton是唯一一个能够用短短几十行代码完整实现的模式。因此,写一个Singleton的类型是一个很常见的面试题。
单例模式有三种经典的设计方案：
- 延时加载，也称为懒汉模式 ，需要的时候才创建对象，也就是下面方法一用到的
- 双重锁模式，需要的时候才创建对象,线程安全，懒汉模式升级版，也就是下面方法二用到的
- 贪婪加载，也称为饿汉模式 ， 程序执行前就创建好对象，也就是下面方法三用到的
- 测试，简单测试。
解法一:只适用于单线程环境
由于要求只能生成一个实例,因此我们必须把构造函数设为私有函数以禁止他人创建实例。我们可以定义一个静态的实例,在需要的时候创建该实例。下面定义类型Singletonl就是基于这个思路的实现；
class SingleTon
{
public:
static SingleTon* getInstance()
{
if (instance== NULL)
{
instance= new SingleTon(); //堆区申请对象
}
return instance;
}
private:
SingleTon(){} //隐藏构造函数接口
SingleTon(const SingleTon&);//拷贝构造函数
static SingleTon* instance; //静态指针可以不依赖对象调用，保存唯一实例地址
};
SingleTon* SingleTon::instance= NULL;
上述代码在Singleton的静态属性Instance中,只有在instance为null的时候才创建一个实例以避免重复创建。同时我们把构造函数定义为私有函数,这样就能确保只创建一个实例。
注意：只适用于单线程环境，在多线程中，如果一个现成在刚完成if (instance== NULL)这段代码时，还没有来的及创建对象时，另一个线程也执行到这个阶段，如此一来，程序就会出现问题，也不满足我们单例模式的目的。
加同步锁：if (instance== NULL)这段语句前后加锁，实现每次只能有一个线程访问
通常在解决线程安全类问题常用的方法就是加锁，限制对临界区的访问。下面这段代码虽然解决线程安全问题，但程序的效率却低了不少。
class SingleTon
{
public:
static SingleTon* getInstance()
{
lock(); //加锁 注：并未具体实现此函数，这里仅仅做演示
if (instance== NULL)
{
instance= new SingleTon(); //堆区申请对象
}
unlock(); //解锁
return instance;
}
private:
SingleTon(){} //隐藏构造函数接口
SingleTon(const SingleTon&);//拷贝构造函数
static SingleTon* instance; //静态指针可以不依赖对象调用，保存唯一实例地址
};
SingleTon* SingleTon::instance= NULL;
加锁解锁机制： 线程A在执行到lock()时，如果发现无法加锁，即有别的线程B正在使用(加锁)此临界资源，当A发现可以进行加锁操作时，即B已经执行完成并进行了解锁操作，此时A再加锁（防止别的线程执行），当A线程执行完遇到代码unlock()时进行解锁操作。
但是，还有一个问题，当唯一的一个实例已经被创建出来后，后面的线程执行到此段代码时，无需再构建实例，但lock() unlock()会被反复执行，程序进行了许多不必要的开销，降低了效率。
难道真的鱼（线程安全）与熊掌（效率）不可兼得乎？
方法二：双重锁模式
双重锁模式：在加锁前再判断一次，是否需要执行以下内容。虽然叫双重锁，可并不是真正的加了两重锁哦，只是利用了一点技巧而已，可见，有时候只要多想一点点总会有办法的嘛。
class SingleTon
{
public:
static SingleTon* getInstance()
{
if (instance== NULL) //对象已经生成，无需加锁、解锁操作
{
lock();
if (instance== NULL)
{
instance= new SingleTon();
}
unlock();
}
return instance;
}
private:
SingleTon(){}
SingleTon(const SingleTon&);
static SingleTon* instance;
};
方法三：提前创建实例
由于静态变量在代码段存放，在程序刚被加载时就已经存在，因此可以利用这一特点重新设计程序，直接构造实例并让静态的指针instance接收。
class SingleTon
{
public:
static SingleTon* getInstance()
{
return instance;
}
private:
SingleTon(){}
SingleTon(const SingleTon&);
static SingleTon* instance;
};
SingleTon* SingleTon::instance= new SingleTon();
测试：
Person类，属性有mname mage msex
class Person
{
public:
static Person* getInstance(char* name, int age, bool sex)
{
if (pm == NULL)
{
pm = new Person(name, age, sex);
}
return pm;
}
~Person()
{
delete[] mname;
mname = NULL;
}
private:
Person(char* name, int age, bool sex)
{
mname = new char[strlen(name) + 1]();
strcpy_s(mname, strlen(name) + 1, name);
mage = age;
msex = sex;
}
char* mname;
int mage;
bool msex;
static Person* pm;
};
Person* Person::pm = NULL;
int main()
{
char name[] = "zhangsan";
Person* p1 = Person::getInstance(name, 25, true);
Person* p2 = Person::getInstance(name, 25, true);
Person* p3 = Person::getInstance(name, 25, true);
Person* p4 = Person::getInstance(name, 25, true);
return 0;
}
运行结果：
可以看到运行结果中，不论getInstance方法调用多少次，始终只有一个实例产生。
