【设计模式学习笔记】单例模式详解（懒汉式遇上多线程问题解析基于C++实现）

class classA{};

void func()
{
    classA* a1 = new classA; //调用构造函数
    classA* a2 = new classA; //调用构造函数
    if (a1 != a2)
	{
		cout << "a1和a2是两个不同的对象" << endl;
	}
}

在上面程序中，我们new了两个对象，会调用两次构造函数，并创建出两个不同的对象，我们可以直接通过判断来测试一下

既然我们希望这个类只有一个实例对象，那么就应该禁止类的外部访问构造函数，因为每次在类的外部调用构造函数都会构造出一个新的实例对象。解决办法就是把构造函数设置为私有属性，在类的内部完成实例化对象的创建，这样就对外隐藏了创建对象的方法。但是类的出现就是要定义对象的，我们要使用类创建的对象，所以还需要提供一个全局访问点来获取类内部创建好的对象

class SingletonPattern
{
private:
	SingletonPattern()
	{
		cout << "私有的构造函数" << endl;
	}
public: //构造函数被私有化了，所以应该提供一个对外访问的方法，来创建对象
	static SingletonPattern* get_single() 
	{
		if (single == NULL) //为保证单例，只new一次
		{					//如果不加这个判断，每次创建对象都会new一个single，这就不是单例了
			single = new SingletonPattern;
		}
		//return this->single;
		return single; //静态成员属于整个类，没有this指针
	}
private: //static 成员，类定义的所有对象共有static成员
	static SingletonPattern* single; //指针，不能是变量，否则编译器不知道如何分配内存
};

SingletonPattern* SingletonPattern::single = NULL; //告诉编译器分配内存

上面程序所示的就是一个懒汉式单例模式的实现。这里面有几点要注意的：

（1）为了让这个类所定义的所有对象共享属性，应该把属性设置为static类型，因为static类型的属性属于整个类而不是属于某个对象。

（2）为了保证单例模式，应该在全局访问点get_single()函数中加一个判断，如果对象已经被创建了，那么就直接返回这个对象，如果对象还没有被创建，那么久new创建一个对象，并返回该对象。

（3）因为是在使用到对象的时候，才去创建对象（single初始化为NULL，在全局访问点get_single被调用的时候才去创建对象），有点偷懒的感觉，所以称之为懒汉式单例模式。

我们再来测试一下，是不是真正的实现了单例

{
    SingletonPattern* s1 = SingletonPattern::get_single(); //在get_single中会new一个对象
	SingletonPattern* s2 = SingletonPattern::get_single(); 
	if (s1 == s2)
	{
		cout << "单例" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "不是单例" << endl;
	}
}

运行测试程序，看打印结果

通过打印结果可以看到，创建的两个对象s1和s2是相等的，也就是说我们实现了单例，通过全局访问点获取的实例对象是同一个。

通过上面的分析，我们可以得到实现单例模式的步骤

1. 构造函数私有化；

2. 提供全局访问点；

3. 内部定义一个static静态指针指向当前类定义的对象；

1.2 懒汉式单例模式的缺陷

通过懒汉式单例模式，我们实现了一个类只创建一个实例对象，且只有在用到实例对象的时候，才会通过全局访问点去new创建这个对象，节省了资源。但是，懒汉式单例模式有一个致命的缺点，就是在C++的构造函数中，不能保证线程安全。什么意思呢，也就是说，在多个线程都去创建对象，调用全局访问点get_single()的时候，会面临资源竞争问题，假如在类的构造函数中增加一个延迟函数，我们第一个线程调用get_single()的时候，会进入构造函数，这时，因为延时的存在，第一个线程可能会在这里卡顿一会，假如正好这时候第二个线程也调用get_single()去创建实例对象，而第一个线程还在构造函数中延时，这样在get_single()函数中(single == NULL)这个判断条件依然成立，第二个线程也会进入构造函数。这样，两个线程创建的对象就不再是同一个对象了，也就不是单例模式了。下面，我们就详细分析多线程与懒汉式。

2. 懒汉式单例模式与多线程

2.1 多线程构造对象

首先，我们把类改造一下，在构造函数中加一个延时，并在类中加一个计数器来记录构造函数的调用次数

class SingletonPattern
{
private:
	SingletonPattern()
	{
		count++;
		Sleep(1000); //第一个线程在new的时候，如果延时还没结束
					 //第二个线程又过来new一个对象，这时候因为第一个对象还没有new出来
					 //所以single还是NULL，这样又会进入构造函数，最后总共new了两个对象
					 //这样返回的两个对象是两次new出来的，就不是单例模式了
		printf("私有的构造函数\n");
	}
public:
	static int get_count()
	{
		return count;
	}
public: //构造函数被私有化了，所以应该提供一个对外访问的方法，来创建对象
	static SingletonPattern* get_single() //只有在调用该函数的时候才会new一个对象
	{
		if (single == NULL) 
		{					
			single = new SingletonPattern;
		}
		return single; 
	}
private: //static 成员，类定义的所有对象共有static成员
	static SingletonPattern* single; 
	static int count;
};

SingletonPattern* SingletonPattern::single = NULL; 
int SingletonPattern::count = 0;

这样，一个类就定义好了。接下来，我们要在main进程中创建三个线程，每个线程都去创建一个对象，在Windows下多线程编程应包含头文件<process.h>，并且会用到线程创建函数_beginthread()，对于_beginthread()函数的使用可以直接转到源码查看函数原型

typedef void     (__cdecl*   _beginthread_proc_type  )(void*);
typedef unsigned (__stdcall* _beginthreadex_proc_type)(void*);

_ACRTIMP uintptr_t __cdecl _beginthread(
	_In_     _beginthread_proc_type _StartAddress,
	_In_     unsigned               _StackSize,
	_In_opt_ void*                  _ArgList
);

该函数包含三个参数，分别代表如下含义：

第一个参数是_beginthread_proc_type，通过上面的typedef可知，它是一个回调函数（函数指针），指向新开辟的线程的起始地址；

第二个参数_StackSize是新线程的堆栈大小，可以直接给个0，表示和主线程共用堆栈；

第三个参数_ArgList是一个参数列表，它表示要传递给新开辟线程的参数，新线程没有参数的话可以传入NULL；

函数返回值可以理解为创建好的线程的句柄。

首先搭建测试程序如下

{
    int i = 0, ThreadNum = 3;
	HANDLE h_thread[3];

	for (i = 0; i < ThreadNum; i++)
	{
		h_thread[i] = (HANDLE)_beginthread(_cbThreadFunc, 0, NULL);
	}

	for (i = 0; i < ThreadNum; i++)
	{
		WaitForSingleObject(h_thread[i], INFINITE); //windows 下的等待
		//thread_join  //Linux 下的等待函数
		//等待子线程结束，如果不等待子线程结束主进程就死掉的话，子线程也会随之死掉，所以主进程挂起等待
	}

	cout << "子线程已结束" << endl;
}

这里用到了一个函数WaitForSingleObject()，它用于等待子线程结束。因为子线程是依附于主线程存在的（共用堆栈、内存四区），如果子线程还没结束主线程就结束了，那么子线程也将不复存在，所以需要等待子线程结束后，主线程才能结束。该函数类似于Linux中的thread_join函数。

搭建好测试程序后，在定义一个线程函数

void _cbThreadFunc(void* arc)
{
	DWORD id = GetCurrentThreadId(); //获取当前线程ID

	int num = SingletonPattern::get_single()->get_count(); //创建对象

	printf("\n构造函数调用次数：%d\n", num); //调用了3次构造函数 --- 不是单例
	printf("当前线程是：%d\n", id);
	//cout << "当前线程是：" << id << endl; //会有问题
}

编译运行测试函数

可以看到，构造函数调用了三次，每个线程都创建了一个新的对象，已经不再是单例模式了。对于这个问题的解决主要有两种，下面分别介绍。

2.2 饿汉式单例模式

第一种解决方法就是在类中定义static SingletonPattern*指针的时候就创建一个对象，在全局访问点get_single()直接返回创建好的对象，因为对象早就提前创建好了，这样即使多个线程调用创建对象所得到的也是同一个对象。因为对象还没使用就创建好了，所以叫做饿汉式单例模式。

上面的测试程序不用修改，我们只需要修改类即可

class SingletonPattern
{
private:
	SingletonPattern()
	{
		count++;
		Sleep(1000); 
		printf("私有的构造函数\n");
	}
public:
	static int get_count()
	{
		return count;
	}
public: 
	static SingletonPattern* get_single()
	{
		return single;
	}
private: 
	static SingletonPattern* single; 
	static int count;
};

//SingletonPattern* SingletonPattern::single = NULL;
SingletonPattern* SingletonPattern::single = new SingletonPattern; //饿汉式单例，一开始就new了一个对象
int SingletonPattern::count = 0;

再次运行前面的测试函数，看打印结果

从打印结果可以看到，三个不同的线程只调用了一次类的构造函数，得到的是同一个对象。

2.3 DCL(double-checked locking)

既然多个线程会竞争资源，那么如何才能防止多个线程之间的竞争呢？最简单的方法就是对临界区资源加一个锁🔒，当一个线程持有锁的时候，其他线程挂起等待锁的释放，只有持有锁的线程才能进入临界资源，这就解决了多线程资源竞争的问题（此处涉及到多线程同步问题）。这里还有一个问题，当我们第一次判断(single == NULL)后，如果之前没有创建对象，那么就进入下面的临界区

if (single == NULL)  
{   
	cs.Lock(); 
	single = new SingletonPattern;
	cs.Unlock();
}

当第一个线程创建完对象后释放了锁，第二个线程进入临界区又创建了一个对象，这也违反了单例原则。所以应该加入一个二次检查，如果第一个线程已经创建了对象（指针不为NULL），那么第二个线程即使获取了锁，也不再创建新的对象，而是直接使用第一个线程创建的对象，这就是二次检测的原因。

static SingletonPattern* get_single() 
{
	if (single == NULL)  //double check 
	{   //因为在这之前并没有保护机制，所以三个线程都有可能执行到这一步
		cs.Lock(); 
		if (single == NULL) //所以需要二次检查，进入临界区后再一次判断
		{
			single = new SingletonPattern;
		}
		cs.Unlock();
	}
	return single; //静态成员属于整个类，没有this指针
}

对全局访问点get_single()修改过后，再次运行测试函数

三、总结

单例模式主要有懒汉式和饿汉式两种实现，饿汉式不会有线程安全的问题，但是提前构造对象占用了一定的资源，如果对内存要求较低的场景可以使用饿汉式实现；懒汉式应使用DCL机制来避免多线程竞争资源的问题，并且懒汉式可以在需要使用对象的时候才去创建对象，节省了资源。

posted @ 2022-04-15 09:30 Mindtechnist 阅读(127) 评论(0) 编辑收藏举报来源

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【设计模式学习笔记】单例模式详解（懒汉式遇上多线程问题解析基于C++实现）

一、什么是单例模式

1. 设计模式

2. 单例模式

二、单例模式的实现

1. 懒汉式单例模式

1.1 如何保证只有一个实例对象