单例模式简介

Posted 2020-08-06

什么是设计模式

设计模式代表了最佳实践，是软件开发过程中面临一般问题的解决方案。

设计模式是一套被反复使用、经过分类、代码设计总结的经验。

单例模式

单例模式也叫单件模式。Singleton是一个非常常用的设计模式，几乎所有稍微大一些的程序都会使用到它，所以构建一个线程安全并且高效的Singleton很重要。

1. 单例类保证全局只有一个唯一实例对象。

2. 单例类提供获取这个唯一实例的接口。

怎样设计一个单例模式

实现一（不考虑线程安全）

class Singleton
{
public:
// 获取唯一对象实例的接口函数
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if(_sInstance == NUL)
		{
			if (_sInstance == NULL)
			{
				_sInstance = new Singleton();
			}
		}
		return _sInstance;
	}
// 删除实例对象
	static void DelInstance()
	{
		if (_sInstance)
		{
			delete _sInstance;
			_sInstance = NULL;
		}
	}
	void Print()
	{
		cout<<_data<<endl;
	}
private:
	// 构造函数定义为私有，限制只能在类内创建对象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	// 指向实例的指针定义为静态私有，这样定义静态成员函数获取对象实例
	static Singleton* _sInstance;
	// 单例类里面的数据
	int _data;
};
Singleton* Singleton::_sInstance = NULL;

void TestSingleton()
{
	Singleton::GetInstance()->Print();
	Singleton::DelInstance();
}

实现二

线程安全的单例 -- （懒汉模式-- lazy loading）

ps: 下面部分的加锁使用了C++11库的互斥锁
class Singleton
{
public:
	// 获取唯一对象实例的接口函数
	static Singleton* GetInstance()
	{
	// 使用双重检查，提高效率，避免高并发场景下每次获取实例对象都进行加锁
		if (_sInstance == NULL)
		{
			std::lock_guard<std::mutex> lck(_mtx);
			if (_sInstance == NULL)
			{
				// tmp = new Singleton()分为以下三个部分
				// 1.分配空间 2.调用构造函数 3.赋值
				// 编译器编译优化可能会把2和3进行指令重排，这样可能会导致
				// 高并发场景下，其他线程获取到未调用构造函数初始化的对象
				// 以下加入内存栅栏进行处理，防止编译器重排栅栏后面的赋值
				// 到内存栅栏之前
				Singleton* tmp = new Singleton();
				MemoryBarrier();
				_sInstance = tmp;
			}
		}
		return _sInstance;
	}
	// 删除实例对象
	static void DelInstance()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lck(_mtx);
		if (_sInstance)
		{
			delete _sInstance;
			_sInstance = NULL;
		}
	}
	void Print()
	{
	cout<<_data<<endl;
	}
private:
	// 构造函数定义为私有，限制只能在类内创建对象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	// 指向实例的指针定义为静态私有，这样定义静态成员函数获取对象实例
	static Singleton* _sInstance;
	// 保证线程安全的互斥锁
	static mutex _mtx;
	// 单例类里面的数据
	int _data;
};
Singleton* Singleton::_sInstance = NULL;
mutex Singleton::_mtx;

void TestSingleton()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
Singleton::DelInstance();
}

实现三

线程安全的单例 -- （饿汉模式--简洁、高效、不用加锁、但是在某些场景下会有缺陷）

方法1

// 方式一
class Singleton
{
public:
	// 获取唯一对象实例的接口函数
	static Singleton* GetInstance()
	{
		static Singleton sInstance;
		return &sInstance;
	}
	void Print()
	{
		cout<<_data<<endl;
	}
private:
	// 构造函数定义为私有，限制只能在类内创建对象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	// 单例类里面的数据
	int _data;
};

void TestSingleton()
{
	Singleton::GetInstance()->Print();
}

方法2

// 方式二
class Singleton
{
public:
	// 获取唯一对象实例的接口函数
	static Singleton* GetInstance()
	{
		assert(_sInstance);
		return _sInstance;
	}
	// 删除实例对象
	static void DelInstance()
	{
		if (_sInstance)
		{
			delete _sInstance;
			_sInstance = NULL;
		}
	}
	void Print()
	{
		cout << _data << endl;
	}
private:
	// 构造函数定义为私有，限制只能在类内创建对象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	// 指向实例的指针定义为静态私有，这样定义静态成员函数获取对象实例
	static Singleton* _sInstance;
	// 单例类里面的数据
	int _data;
};
Singleton* Singleton::_sInstance = new Singleton;

void TestSingleton()
{
	Singleton::GetInstance()->Print();
	Singleton::DelInstance();
}

带RAII GC 自动回收实例对象的方式

class Singleton
{
public:
	// 获取唯一对象实例的接口函数
	static Singleton* GetInstance()
	{
		assert(_sInstance);
		return _sInstance;
	}
	// 删除实例对象
	static void DelInstance()
	{
		if (_sInstance)
		{
			delete _sInstance;
			_sInstance = NULL;
		}
	}
	void Print()
	{
		cout << _data << endl;
	}
	class GC
	{
		public:
		~GC()
		{
			cout << "DelInstance()"<<endl;
			DelInstance();
		}
	};
private:
	// 构造函数定义为私有，限制只能在类内创建对象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	// 指向实例的指针定义为静态私有，这样定义静态成员函数获取对象实例
	static Singleton* _sInstance;
	// 单例类里面的数据
	int _data;
};
// 静态对象在main函数之前初始化，这时只有主线程运行，所以是线程安全的。
Singleton* Singleton::_sInstance = new Singleton;
// 使用RAII，定义全局的GC对象释放对象实例
Singleton::GC gc;
void TestSingleton()
{
	Singleton::GetInstance()->Print();
}

由于程序在结束的时候，系统会自动析构所有的全局变量，实际上，系统也会析构所有类的静态成员变量，就像这些静态变量是全局变量一样。我们知道，静态变量和全局变量在内存中，都是存储在静态存储区的，所以在析构时，是同等对待的。

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