单例模式（C++编码）

一、什么是单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是使用最广泛的设计模式之一，其意图是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，该实例被所有程序模块共享。单例模式常用于资源管理，例如日志、线程池。

定义一个单例类大致分为如下三步：

1、私有化它的构造函数，以防止外界创建单例类的对象；（单例类只能提供私有的构造函数，即保证不能随意创建该类的实例）

2、使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例；（因为构造函数是私有的，其他对象不能创建单例类的实例，只能是单例类自己来创建）

3、使用一个公有的静态方法获取该实例。（由于该类的构造函数是私有的，外界无法通过new去获取它的实例，那么就必须提供一个静态的公有方法，该方法创建或者获取它本身的静态私有对象并返回）

二、单例模式实现方案（C++编码）

1、单例的两种实现方式

懒汉式：故名思义，懒汉很懒只有饿了才会去找吃的。也就是说，只有在需要使用的时候才会去实例化。

饿汉式：饿了肯定要饥不择食。在单例类定义的时候就进行实例化。

2、懒汉式单例模式

简单的懒汉式单例模式编码如下：

 1 // Singleton.h
 2 #pragma once
 3 ​
 4 class Singleton
 5 {
 6 public:
 7     static Singleton *GetInstance();
 8 ​
 9 private:
10     Singleton();
11     Singleton(const Singleton &);
12     Singleton& operator=(const Singleton &);
13 ​
14     static Singleton *s_instance;
15 };
16 ​
17 // Singleton.cpp
18 #include <iostream>
19 #include "Singleton.h"
20 ​
21 Singleton *Singleton::s_instance = NULL;
22 ​
23 Singleton::Singleton() {}
24 Singleton::Singleton(const Singleton &) {}
25 Singleton& Singleton::operator=(const Singleton &) {}
26 ​
27 Singleton* Singleton::GetInstance()
28 {
29     if(nullptr == s_instance)
30     {
31         s_instance = new Singleton();
32     }
33     return s_instance;
34 }

（1）默认构造函数是私有的，外部不能进行单例类的实例化；

（2）拷贝构造函数和赋值运算符也是私有的，以禁止拷贝和赋值；

（3）具有一个私有的静态成员指针 s_instance，指向唯一的实例；

（4）提供一个公有的静态成员函数用于返回实例，如果实例为 NULL，则进行实例化。

3、饿汉式单例模式

简单的饿汉式单例模式编码如下：

 1 // Singleton.h
 2 #pragma once
 3 ​
 4 class Singleton
 5 {
 6 public:
 7     static Singleton *GetInstance();
 8 ​
 9 private:
10     Singleton();
11     Singleton(const Singleton &);
12     Singleton &operator=(const Singleton &);
13 ​
14     static Singleton *s_instance;
15 };
16 ​
17 // Singleton.cpp
18 #include <iostream>
19 #include "Singleton.h"
20 ​
21 Singleton *Singleton::s_instance = new Singleton();
22 ​
23 Singleton::Singleton() {}
24 Singleton::Singleton(const Singleton &) {}
25 Singleton& Singleton::operator=(const Singleton &) {}
26 ​
27 Singleton* Singleton::GetInstance()
28 {
29     return s_instance;
30 }

说明：与懒汉式单例模式不同之处是，饿汉式在全局作用域进行单例类的实例化，并用此实例初始化单例类的静态成员指针 s_instance。

4、线程安全问题

懒汉式：如果有两个线程同时获取单例类的实例，都发现实例不存在，则都会进行实例化，就会产生两个实例都要赋值给 s_instance，这是是非常不安全的，因而考虑为实例化过程加锁。

 1 Singleton* Singleton::GetInstance()
 2 {
 3     lock();
 4     if(nullptr == s_instance)
 5     {
 6         s_instance = new Singleton();
 7     }
 8     unlock();
 9     
10     return s_instance;
11 }

但这个获取实例的方法存在性能问题，每次获取实例的时候都要先上锁，然后再解锁，如果有很多线程的话会造成大量线程的阻塞，改进成双检锁后编码如下：

 1 Singleton* Singleton::GetInstance()
 2 {
 3     if(nullptr == s_instance)
 4     {
 5          lock();
 6          if(nullptr == s_instance)
 7          {
 8             s_instance = new Singleton();
 9          }
10          unlock();
11     }
12     return s_instance;
13 }

绝大多数情况下，获取实例时都是直接返回实例，这时候不会涉及到上锁、解锁的问题。只有在没有实例的时候，才会涉及上锁、解锁，这种情况是很少的。这个获取实例的方法对性能几乎无影响。

局部静态初始化方法（或称之为 Meyers' Singleton，C++11标准）：

 1 class Singleton
 2 {
 3 public:
 4     static Singleton& GetInstance()
 5     {
 6         static Singleton instance;
 7         return instance;
 8     }
 9     
10 private:
11     Singleton() {}
12     Singleton(const Singleton &) {}
13     Singleton& operator=(const Singleton &) {}
14 };

饿汉式：程序运行初期就进行了单例类实例化，不存在上述的线程安全问题。

5、对象释放问题

一般情况下，单例类的实例都是常驻内存的，一直存在于进程的生命周期，因此不需要手动释放。如果的确需要释放实例占用的内存，一定不能在单例类的析构函数中进行delete操作，这样会造成无限循环，可以考虑增加一个 destroy 方法用于释放内存（或使用智能指针），或者在单例类中定义一个内嵌的垃圾回收类，下面给出垃圾回收类的简单实现。

 1 // Singleton.h
 2 #pragma once
 3 ​
 4 class Singleton
 5 {
 6 public:
 7     static Singleton *GetInstance();
 8 ​
 9 private:
10     class CGarbo
11     {
12     public:
13         ~CGarbo()
14         {
15             if(nullptr != Singleton::s_instance)
16             {
17                 delete Singleton::s_instance;
18             }
19         }
20     };
21 ​
22     static CGarbo s_gb;
23 ​
24 private:
25     Singleton();
26     Singleton(const Singleton &);
27     Singleton& operator=(const Singleton &);
28 ​
29 private:
30     static Singleton *s_instance;
31 };
32 ​
33 // Singleton.cpp
34 #include <iostream>
35 #include "Singleton.h"
36 ​
37 Singleton *Singleton::s_instance = NULL;
38 ​
39 Singleton::Singleton() {}
40 Singleton::Singleton(const Singleton &) {}
41 Singleton& Singleton::operator=(const Singleton &) {}
42 ​
43 Singleton *Singleton::GetInstance()
44 {
45     if (nullptr == s_instance)
46     {
47         lock();
48         if(nullptr == s_instance)
49         {
50             s_instance = new Singleton();
51         }
52         unlock();
53     }
54 ​
55     return s_instance;
56 }

三、Reference

C++单例（知乎）：https://zhuanlan.zhihu.com/p/37469260

C++单例（博客园）：https://www.cnblogs.com/leaves1024/p/10985599.html

盘点C++几种常见的设计模式及具体实现：https://zhuanlan.zhihu.com/p/321939154

 

posted @ 2021-10-22 15:18  HOracle  阅读(318)  评论(0)  编辑  收藏  举报