设计模式 - 创建型模式 - 单例模式（C++）

1、前言

单例模式属于创建型模式，保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。

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2、介绍

2.1、主要解决

防止一个系统全局使用的类频繁地创建与销毁、解决多线程并发访问的问题和节约系统内存等，提高系统运行的效率，提高系统性能。

什么情况需要使用全局的类？通常是对共享资源的使用。

比如需要实现系统控制打印机工作，一般都会定义一个“打印机管理类”用来管理打印机的各个功能，有多个模块都需要控制打印机工作，在没有使用单例模式的情况下，会遇到一下问题：

1. 模块会在需要打印时创建“打印机管理类”，打印完成即销毁，如果需要频繁打印，那么就会频繁地创建和销毁该类；
2. 如果打印完成不销毁呢？那么多个模块都会创建“打印机管理类”，浪费系统资源；
3. 一旦出现多个模块同时需要打印，就要解决各模块之间的打印同步问题，毕竟打印机只有一个。

使用单例模式后：

1. 单例模式会自行创建，同时只提供一个全局访问的类，因此不会造成系统资源的浪费，因此也没有了频繁地创建和销毁的需求。
2. 多个模块同时需要打印时，只需要由全局的“打印机管理类”实例对打印的任务进行同步管理，无需多个模块之间解决同步的问题，提高系统运行的效率。

2.2、优缺点

单例模式的使用需要根据实际情况使用，以下是该设计模式的优缺点。

优点：

• 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例；
• 避免了多线程并发访问时只需要该类管理同步即可，提高系统运行的效率，提高系统性能。

缺点：

• 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突；
• 单例模式可能掩盖不良设计， 比如程序各组件之间相互了解过多等。

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3、实现

在了解单例模式可以解决什么问题的情况下，那么如何实现一个单例模式呢？

1. 在类中添加一个该类的私有静态成员变量用于保存单例实例。
2. 声明一个公有静态构建方法用于获取单例实例。
3. 将类的构造函数设为私有。

3.1、懒汉设计

顾名思义，不到万不得已就不会去实例化类，对象只有被调用时才去创建，这种方式是最基本的实现方式，但这种实现最大的问题就是不支持多线程，属于线程不安全的，在多线程使用中，容易多次创建实例，因此严格的来说，并不算单例模式。

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全局访问实例节点
	{
		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
			ms_pinstance = new CPrinter();
		}
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;

int main()
{
    CPrinter::GetInstance()->Work();

    return 0;
}

为了解决在多线程使用中，容易多次创建实例的问题，可以加上互斥锁，这样就保证了线程安全。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全局访问实例节点
	{
        ms_initMutex.lock();

		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
			ms_pinstance = new CPrinter();
		}

        ms_initMutex.unlock();
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;
    static std::mutex ms_initMutex;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

// 类外初始化
CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;
std::mutex CPrinter::ms_initMutex;


int main()
{
    /* 创建线程1 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    /* 创建线程2 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}

3.2、懒汉设计+双重校验锁

虽然上述的优化后的懒汉设计实现解决了线程安全的问题，但加锁会影响效率，为了解决线程安全的问题，同时提高效率，采用双重检查加锁机制，先判断是否为 nullptr，如果不为空，则直接返回实例，避免加锁影响效率，而加锁之后再判断，是为了防止在加锁之前多个线程都进入且竞争互斥锁，避免下一个线程获取锁后再次创建实例。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全局访问实例节点
	{
		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
		    ms_initMutex.lock(); // 如果为空则加锁
		    
		    if (ms_pinstance == nullptr)
		    {
		        ms_pinstance = new CPrinter();
		    }
			
			ms_initMutex.unlock();
		}
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;
    static std::mutex ms_initMutex;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

// 类外初始化
CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;
std::mutex CPrinter::ms_initMutex;


int main()
{
    /* 创建线程1 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    /* 创建线程2 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}

3.3、饿汉设计

饿汉模式就是在单例类定义的时候（即在main函数之前）就进行实例化。因为main函数执行之前，全局作用域的类成员静态变量ms_instance 已经初始化，因此就不存在多线程的问题。

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全局访问实例节点
	{
		return &ms_instance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter ms_instance;
    
  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

CPrinter CPrinter::ms_instance;

int main()
{
    std::thread([=]{ 
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}