C++单例模式详解

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0. 前言

1. 懒汉式单例模式

1.1 最简单的单例模式

1.2 防止内存泄漏

1.2.1 智能指针的方法

1.2.2 静态嵌套的方法

1.3 保证线程安全

1.4 C++11版本的优雅解决方案

2. 饿汉式单例模式

0. 前言

起因是在程序中重复声明了一个单例模式的变量，后来程序怎么调都不对，最后发现变量是用单例模式，修改是全局的，所以决定好好梳理一下单例模式。

首先，为什么要用单例模式，就是因为我们希望一个类只有唯一一个实例，并且提供一个全局的访问点。从这个描述不难看出，这个实例应该是要static来修饰的。实际情况中，比如我们想申请一个内存池，程序都用这一块内存池，那么就可以单例模式来实现。

1. 懒汉式单例模式

1.1 最简单的单例模式

先来看看最简单的单例模式怎么写，然后分析一下有什么问题。

#include <iostream>
using namespace std;

// 最简单的单例模式
class Singleton{
public:
    // 获取实例的接口
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton(); // 使用new来创建一个新的实例对象
        } else {
            cout << "重复创建，返回已创建的实例。" << endl;
        }
        return instance;
    }
private:
    // 静态私有对象
    static Singleton* instance;
    // 构造函数一定要私有，外部无法直接访问构造函数
    Singleton() {cout << "运行构造函数" << endl;};
    ~Singleton() {cout << "运行析构函数" << endl;};
};
// 要在类外进行初始化！！！
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

int main(){
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
    
    return 0;
}

这里有两个点需要特别的注意：

• 单例模式的类需要有一个静态私有的对象，是这个类的实例，且必须在类外进行初始化。
• 获取实例的接口getInstance()函数式可以被访问和调用的，但是必须返回static类型的变量，实际上就是返回这个类的唯一实例。
• 补充下析构函数私有化的原因：保证只能在堆上new一个新的类对象。因为C++是一个静态绑定的语言。在编译过程中，所有的非虚函数调用都必须分析完成，即使是虚函数也需检查可访问性。当在栈上生成对象时，对象会自动析构，也就说析构函数必须可以访问。而堆上生成对象，由于析构时机由程序员控制，所以不一定需要析构函数。

按照上面的写法，基本上满足了单例模式的初衷，要一个只有一个实例的类。但是存在两个问题，一个是因为使用到了new进行创建，就需要人为进行delete的释放操作，否则就会造成内存泄漏。第二个是程序乍一看只会创建一块内存空间，但是如果考虑多线程，那么就有可能多个线程分别创建了多块内存空间的实例，与我们设计单例模式的初衷相违背。

1.2 防止内存泄漏

1.2.1 智能指针的方法

运行1.1的程序，结果为：

运行构造函数
重复创建，返回已创建的实例。

可以发现，并没有调用析构函数。这里，补充一下析构函数的作用：释放对象的使用资源，并销毁对象的非static数据成员。而我们定义的instance成员变量static的，所以无法直接使用析构函数进行释放。虽然事例的简单程序在运行完之后static变量会自动释放，但是在很多复杂的程序中，使用完instance却不释放是非常致命的会导致内存泄漏的问题。这里采用智能指针的方法，并借用智能指针的reset函数，定义一个销毁的成员函数，通过这个成员函数调用delete来释放我们创建的new内存，达到析构的目的。看看下面的实现。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

class Singleton{
public:
    // 公有接口获取唯一实例
    static shared_ptr<Singleton> getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance.reset(new Singleton(), destoryInstance);
        }
        else {
            cout << "重复创建，返回异创建的实例。" << endl;
        }
        return instance;
    }
    // 定义销毁的实例
    static void destoryInstance(Singleton* x) {
        cout << "自定义释放实例" << endl;
        delete x;
    }
private:
    Singleton() {cout << "运行构造函数。" << endl;};
    ~Singleton() {cout << "运行析构函数。" << endl;};
private:
    // 静态私有对象
    static shared_ptr<Singleton> instance;
};

// 初始化
shared_ptr<Singleton> Singleton::instance;


int main(){
    shared_ptr<Singleton> s1 = Singleton::getInstance();
    shared_ptr<Singleton> s2 = Singleton::getInstance();
    return 0;
}

运行结果为：

运行构造函数。
重复创建，返回异创建的实例。
自定义释放实例
运行析构函数。

可以看到，我们通过智能指针，在使用完instance资源后调用了自定义的释放函数，即delete了new出来的空间，达到了运行析构函数的目的，防止了内存泄漏。

1.2.2 静态嵌套的方法

解决内存的泄漏的方法，总之是要把释放的过程先写好，不能靠用户每次自己释放。对于本次分享的例子，就是要把delete放进代码里。除了利用智能指针的释放函数来调用delete之外，也可以显式的调用delete函数，要单独嵌套一个类，把这个delete函数放进嵌套类的公有析构函数中。实现过程如下：

#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton{
public:
    // 公有接口获取唯一实例
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            if (instance == nullptr) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        else {
            cout << "重复创建，返回已创建的实例。" << endl;
        }
        return instance;
    }
private:
    Singleton() {cout << "运行构造函数。" << endl;};
    ~Singleton() {cout << "运行析构函数。" << endl;};
    // 定义一个删除器
    class Deleter {
    public:
        Deleter() {};
        ~Deleter() {
            if (instance != nullptr) {
                cout << "删除器启动。" << endl;
                delete instance;
                instance = nullptr;
            }
        }
    };
    static Deleter deleter; // 删除器也是静态成员变量
private:
    // 静态私有对象
    static Singleton* instance;
};

// 初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
Singleton::Deleter Singleton::deleter;


int main()
{
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();

    return 0;
}

运行结果为：

运行构造函数。
重复创建，返回已创建的实例。
删除器启动。
运行析构函数。

1.3 保证线程安全

首先修改一下1.1中的程序，主要是增加一些打印，然后用多个线程创建Singleton的实例，看看是否每个线程都是访问的同一个内存地址。

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

class Singleton{
public:
    // 获取实例的接口
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton(); // 使用new来创建一个新的实例对象
            cout << "创建地址为:" << instance << endl;
        } else {
            cout << "重复创建，返回已创建的实例。" << endl;
        }
        return instance;
    }
private:
    // 静态私有对象
    static Singleton* instance;
    // 构造函数一定要私有，外部无法直接访问构造函数
    Singleton() {cout << "运行构造函数" << endl;};
    ~Singleton() {cout << "运行析构函数" << endl;};
};
// 要在类外进行初始化！！！
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

int main(){
    // Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    // Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
    thread t1([] {Singleton* s1 = Singleton::getInstance();});
    thread t2([] {Singleton* s2 = Singleton::getInstance();});
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

运行结果如下：

运行构造函数
创建地址为:0x7f0988000b60
运行构造函数
创建地址为:0x7f0980000b60

可以发现，两个线程分别new出了一段内存空间（有一定几率是同一段，会报重复创建）。显然，这违背了我们单例模式的初衷。

解决方法是进行加锁，让一个线程先执行完，另一个线程才能获得new的权限。代码如下：

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
using namespace std;

class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
        lock_guard<mutex> l(mutex1); // 加锁保证线程安全
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
            cout << "创建地址为:" << instance << endl;
            }
        }
        else {
            cout << "重复创建，返回已创建的实例。" << endl;
        }
        return instance;
    }
private:
    static mutex mutex1;// 锁
    static Singleton* instance;
    Singleton() {cout << "运行构造函数" << endl;};
    ~Singleton() {cout << "运行析构函数" << endl;};
};

// 初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
mutex Singleton::mutex1;

int main(){
    thread t1([](){Singleton* s1 = Singleton::getInstance();});
    thread t2([](){Singleton* s2 = Singleton::getInstance();});
    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

运行结果为：

运行构造函数
创建地址为:0x7f90d4000b60
重复创建，返回已创建的实例。

加锁后，即使是多个线程，也只会申请一块内存空间。

1.4 C++11版本的优雅解决方案

上面只是为了将这个问题表述清楚，在C++11中，static变量是可以保证线程安全的，同时直接用static变量而不用new，就可以获得线程安全的且无内存泄漏的优雅写法，如下：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
class Singleton{
public:
    // 公有接口获取唯一实例
    static Singleton* getInstance() {
        static Singleton instance;
        cout << "地址为:" << &instance << endl;
        return &instance;
    }

private:
    Singleton() {cout << "运行构造函数" << endl;};
    ~Singleton() {cout << "运行析构函数" << endl;};
};

int main()
{
    thread t1([] {Singleton* s1 = Singleton::getInstance();});
    thread t2([] {Singleton* s2 = Singleton::getInstance();});
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

运行结果如下：

运行构造函数
地址为:0x55b7df269152
地址为:0x55b7df269152
运行析构函数

可以看到访问的内存地址一样，析构函数也正常的运行了。

2. 饿汉式单例模式

饿汉式和懒汉式的差别是，饿汉式提前进行了创建，而如果提前创建static变量，那么在程序开始前这个变量就创建好了，因此不存在线程不安全的问题，只需要保证不内存泄漏即可。用智能指针的方式实现代码如下：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
class Singleton{
public:
    // 公有接口获取唯一实例
    static shared_ptr<Singleton> getInstance() {
        cout << "地址为:" << instance << endl;
        return instance;
    }
    // 定义销毁的实例
    static void destoryInstance(Singleton* x) {
        cout << "自定义释放实例" << endl;
        delete x;
    }

private:
    Singleton() {cout << "运行构造函数" << endl;};
    ~Singleton() {cout << "运行析构函数" << endl;};
private:
    // 静态私有对象
    static shared_ptr<Singleton> instance;
};

// 初始化
shared_ptr<Singleton> Singleton::instance(new Singleton(), destoryInstance);

int main(){
    thread t1([] {shared_ptr<Singleton> s1 = Singleton::getInstance();});
    thread t2([] {shared_ptr<Singleton> s2 = Singleton::getInstance();});
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

运行结果为：

运行构造函数。
地址为:0x55977895ceb0
地址为:0x55977895ceb0
自定义释放实例
运行析构函数。

也可以考虑优雅的写法：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
class Singleton{
public:
    // 公有接口获取唯一实例
    static Singleton* getInstance() {
        static Singleton instance;
        cout << "地址为:" << &instance << endl;
        return &instance;
    }

private:
    // 私有构造函数
    Singleton() {cout << "运行构造函数。" << endl;};
    // 私有析构函数
    ~Singleton() {cout << "运行析构函数。" << endl;};
};


int main(){
    thread t1([] {Singleton* s1 = Singleton::getInstance();});
    thread t2([] {Singleton* s2 = Singleton::getInstance();});
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

输出的结果为：

运行构造函数。
地址为:0x55aa7a895152
地址为:0x55aa7a895152
运行析构函数。