单例模式-看这篇就够了！！！

Posted 2021-05-01 小龙养基场

单列模式，顾名思义，一个类只有一个实例。所以单列模式的特征为：

1. 只有一个实例

2. 必须提供一个全局访问点(静态成员方法或静态静态成员变量)

3. 不可以复制拷贝

根据以上描述的特征，那么一个简单的单例模式就诞生了，如下代码所示

template <typename T>class Singleton{public: static T* Instance(){ if (m_pInstance == nullptr) m_pInstance = new T(); return m_pInstance; } static void DestroyInstance(){ if (m_pInstance != nullptr) { delete m_pInstance; m_pInstance = nullptr; } }private: Singleton(){} ~Singlento(){}  Singleton(const Singleton&); Singleto& operator = (const Singleton&); private: static T* m_pInstance;};
template <typename T>T* Singleton<T>::m_pInstance = nullptr;

我们分析下上面代码，如果在单线程环境下面运行，没有什么问题，假设在多线程环境中，两个线程同时运行到m_pInstance == nullptr,此时条件为真，那么就会创建两个实例，这不符合单列的特征，那么在这里需要改进，在改进前，我们先用c++11实现一个不可复制的类Noncopyable，以后让其继承该类即可

class Noncopyable{protected: Noncopyable() = default;  ~Noncopyable() = default; Noncopyable(const Noncopyable&) = delete;  Noncopyable& operator = (const Noncopyable&) = delete;};

然后改进后的单列类如下

#include <mutex>template <typename T>class Singleton : Noncopyable{public: static T* Instance(){ std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); if (m_pInstance == nullptr) { m_pInstance = new T(); } return m_pInstance; } static void DestroyInstance(){ std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); if (m_pInstance != nullptr) { delete m_pInstance; m_pInstance = nullptr; } }private: static T* m_pInstance; static std::mutex m_mutex;};template <typename T>T* Singleton<T>::m_pInstance = nullptr;
template <typename T>std::mutex Singleton<T>::m_mutex;

我们分析下上面代码，解决线程安全问题无非就是加锁，但是如果线程很多情况下，每个线程都要等拿到锁的线程运行结束后才继续执行，这样无疑会导致大量的线程阻塞，那么该如何解决呢，解决办法就是在锁之前先判断是否为nullptr，于是改进后的代码如下：

#include <mutex>template <typename T>class Singleton : Noncopyable{public: static T* Instance(){ if (m_pInstance == nullptr) { std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); if (m_pInstance == nullptr) { m_pInstance = new T(); } } return m_pInstance; } static void DestroyInstance(){ if (m_pInstance != nullptr) { std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); if (m_pInstance != nullptr) { delete m_pInstance; m_pInstance = nullptr; } } }private: static T* m_pInstance; static std::mutex m_mutex;};template <typename T>T* Singleton<T>::m_pInstance = nullptr;template <typename T>std::mutex Singleton<T>::m_mutex;

继续分析上面的代码，其实这就是所谓的双检锁机制。但是请注意，如果数据量很大的情况，加锁释放锁本来就是耗时的操作，所以在大数据情况下，这种双检锁机制的单列模式性能就显得堪忧了，所以我们应该避免加锁操作，于是就出现了另外一种单列模式

template <typename T>class Singleton : Noncpyable{public: static T* Instance(){ return m_pInstance; }private: static T* m_pInstance;};template <typename T>T* Singleton<T>::m_pInstance = new T();

template <typename T>class Singleton : Noncopyable{public: static T* Instance(){ return &m_Instance; }private: static T m_Instance;};template <typename T>T Singleton<T>::m_Instance;

这样的实现应该算是比较好了，但是还有比这更好的完美方法，利用linux的pthread_once和c++11的std::call_once

template <typename T>class Singleton : Noncopyable{public: static T* Instance(){ std::call_once(m_flag,&Singleton::Init); //c++11 //pthread_once(&m_ponce,&Singleton::Init); //linux return m_pInstance;  } static void DestroyInstance(){ delete m_pInstance; m_pInstance = nullptr;  }private: static T* m_pInstance; static std::once_flag m_flag; //static pthread_once_t m_ponce; static void Init(){ m_pInstance = new T(); }};//template <typename T>//pthread_once_t Singleton<T>::m_ponce = PTHREAD_ONCE_INIT;template <typename T>T* Singleton<T>::m_pInstance = nullptr;

另外放一个超级大招，利用c++11的可变模板参数，放一个万能的单列模式

template <typename T>class Singleton : Noncopyable{public: template <typename... Args> static T* Instance(Args... args){ std::call_once(m_flag,&Singleton::Init,args); return m_pInstance; } static void DestroyInstance(){ delete m_pInstance; m_pInstance = nullptr; }private: static T* m_pInstance;  static std::once_flag = m_flag; template <typename... Args> static void Init(Args&&.. args){ return new T(std::forward<Args>(args)...); }};
template <typename T>T* Singleton<T>::m_pInstance = nullptr;template <typename T>std::once_flag Singleton<T>::m_flag;

好了，单列模式就分析到这里了，最后一种是万金油。

上一个测试代码吧

#include <iostream>#include "Singleton4.hpp"struct A{ A() { std::cout << "A is constrcut!" << std::endl; num = 0; } ~A() { std::cout << "A is desconstruct!" << std::endl;  }
 int num; void add(int n) { num = num + n; } int getNum() { return num; }};
struct B{ int a_; explicit B(int a) : a_(a)  { } int get() { return a_; }};int main(){ A *a = Singleton<A>::Instance();  A *b = Singleton<A>::Instance(); std::cout << "a is" << a << std::endl;  std::cout << "b is" << b << std::endl; a->add(5);  std::cout << "b.num=" << b->getNum() << std::endl; b->add(10); std::cout << "a.num=" << a->getNum() << std::endl;  std::cout << "b.num=" << b->getNum() << std::endl;  B *bb = Singleton<B>::Instance(5); std::cout << bb << std::endl;  std::cout << "bb.a=" << bb->get() << std::endl;}

由于本人水平有限，若有错误，欢迎指出，谢谢！