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C++设计模式（单例模式）

article 2024/11/27 13:06:21

一、介绍

1.动机

在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率。

如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例?

这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。

2.定义

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点。——GOF

3.结构图

4.要点总结

Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。
Singleton模式一般不支持拷贝构造函数和Clone接口，因为这有可能导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背。
如何实现多线程环境下安全的Singleton？注意对双检查锁的正确实现。

二、单例模式

1.概念

单例模式的核心在于类自身负责创建自己的唯一实例，并提供一个静态方法来获取这个实例，从而防止外部代码创建多个实例。

①单例模式的优点：

节省资源，避免频繁创建和销毁对象。
方便控制资源的使用。
维护数据的一致性。

②单例模式的缺点：

在多线程环境下，需要考虑线程安全问题。
若使用锁机制可能会影响性能。

2.实现要点

单例模式的实现要点：

私有化构造函数：防止在外部通过构造函数直接创建对象。
禁用拷贝构造和赋值运算符：防止通过拷贝构造和赋值操作创建多个对象。
静态变量：存储类的唯一实例。
公有静态方法：提供一个全局访问点来获取这个实例。

单例模式分为饿汉式和懒汉式。

3.饿汉式

在程序启动时立即创建实例，因此本身是线程安全的。但无论是否使用实例，都会立即创建，可能导致资源浪费。

饿汉式单例：

class Singleton {
private:
	static Singleton* pSingleton;

	Singleton() {
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
	~Singleton() {
		cout << "~Singleton()" << endl;
	}

public:
	Singleton(const Singleton&) = delete;  //禁用拷贝构造函数
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;  //禁用赋值运算符

	static Singleton* getInstance() {
		return pSingleton;
	}
	static void deleteInstance() {  //用于删除实例
		cout << "deleteInstance()" << endl;
		if (pSingleton) {
			delete pSingleton;
			pSingleton = nullptr;
		}
	}
};
Singleton* Singleton::pSingleton = new Singleton();
//直接创建实例

测试：

Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
cout << s1 << endl;
cout << s2 << endl;
Singleton::deleteInstance();

4.懒汉式

程序启动时实例并不存在，只有在需要使用时才会创建实例，这种方式要考虑线程安全的问题。

①使用静态局部变量实现懒汉式单例

class Singleton {
private:
	Singleton() {
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
	~Singleton() {
		cout << "~Singleton()" << endl;
	}
	
public:
	static Singleton* getInstance() {
		static Singleton instance;  //静态局部变量
		return &instance;
	}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

};

静态局部变量存储在静态存储区，只在当前函数内有效，其它函数无法访问。

静态局部变量只在第一次调用时初始化，生命周期从第一次初始化开始，到程序结束为止。

②使用双检查锁实现懒汉式单例

class Singleton {
private:
	static mutex mtx;  //互斥锁
	static atomic<shared_ptr<Singleton>> pSingleton;  //原子智能指针

	Singleton() {
		cout << "Singleton()" << endl;
	}

public:
	~Singleton() {  //设置为公有，智能指针要调用
		cout << "~Singleton()" << endl;
	}
	
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

	static shared_ptr<Singleton> getInstance() {
		shared_ptr<Singleton> ptr = pSingleton.load();  //读取
		if (!ptr) {  //第一次检查
			unique_lock<mutex> amtx(mtx);
			ptr = pSingleton.load();  //读取
			if (!ptr) {  //第二次检查
				ptr = shared_ptr<Singleton>(new Singleton);
				pSingleton.store(ptr);  //存储
			}
		}
		return ptr;
	}
};
mutex Singleton::mtx;
atomic<shared_ptr<Singleton>> Singleton::pSingleton = nullptr;

atomic的load和store成员函数用于以原子方式读取和存储原子变量。它们可以接受一个memory_order参数，该参数用于指定在内存模型中操作的内存顺序。如果不提供则会默认使用memory_order_seq_cst，这是最严格的内存顺序，它保证了读取操作的顺序性和内存可见性。

③使用call_once实现懒汉式单例

class Singleton {
private:
	static once_flag flag;  //用于标记
	static shared_ptr<Singleton> pSingleton;  //智能指针

	Singleton() {
		cout << "Singleton()" << endl;
	}

public:
	~Singleton() {  //设置为公有，智能指针要调用
		cout << "~Singleton()" << endl;
	}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

	static shared_ptr<Singleton> getInstance() {
		call_once(flag, [] {  //最多调用一次
			pSingleton = shared_ptr<Singleton>(new Singleton);
			});
		return pSingleton;
	}
};
once_flag Singleton::flag;
shared_ptr<Singleton> Singleton::pSingleton = nullptr;

call_once可以让函数或代码块在多线程环境中最多只被执行一次。

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