【C++】设计模式-单例模式

news2024/9/22 15:52:04

目录

一、单例模式

单例模式的三个要点

针对上述三要点的解决方案

常用的两类单例模式

 二、懒汉模式实现

1.基本实现

2.锁+静态成员析构单例

3.双层检查锁定优化

4.双层检查锁定+智能指针

三、饿汉模式实现

1.基础实现

2.嵌套内部类解决内存泄漏

3.智能指针解决内存泄漏 

一、单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 一种属于创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。（即它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。）

单例模式的三个要点

  • 1、单例类只能有一个实例。
  • 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  • 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

针对上述三要点的解决方案

1）私有化构造函数：这样外界就无法自由地创建类对象，进而阻止了多个实例的产生。

2）类定义中含有该类的唯一静态私有对象：静态变量存放在全局存储区，且是唯一的，供所有对象使用。

3）用公有的静态函数来获取该实例：提供了访问接口。

常用的两类单例模式

1）懒汉模式：在使用类对象（单例实例）时才会去创建它，不然就不创建。

2）饿汉模式：单例实例在类装载时构建，有可能全局都没使用过，但它占用了空间，就像等着发救济粮的饿汉提前排好队等吃的一样。

 二、懒汉模式实现

1.基本实现

//singleton.h
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;

class Singleton
{
public:
	//公共接口获取唯一实例
	static Singleton* getInstance()
	{
		if (m_instance == nullptr)
		{
			cout << "创建实例" << endl;
			m_instance = new Singleton;
		}
		return m_instance;
	}
private:
	//构造私有
	Singleton()
	{
		cout << "调用构造函数" << endl;
	}  
	//Singleton()=default;


	~Singleton()
	{
		cout << "调用析构函数" << endl;
	} 
	//~Singleton() = default;

	//禁用拷贝构造和赋值运算符（=delete 为C++11新标准）
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

private:
	//静态私有对象
	static Singleton* m_instance;
};

Singleton* Singleton::m_instance = nullptr; //初始化
#include "singleton.h"

int main()
{
	Singleton* instance1 = Singleton::getInstance();
	Singleton* instance2 = Singleton::getInstance();
	return 0;

}

 执行结果：

由上述结果可知，的确只创建了一个实例。

但同时暴露了两个问题：①线程安全；②内存泄漏

①线程安全：在多线程场景下，可能多个线程进行new操作，需要加锁进行限制，保证只进行一次new操作。

#include "singleton.h"

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

	t1.join();
	t2.join();
	return 0;

}

 

 ②内存泄漏：new在堆上的资源在程序结束时，需要通过delete进行释放。上面并没有调用析构函数执行delete操作。

2.锁+静态成员析构单例

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

//锁+静态成员析构单例
class Singleton
{
public:
	static Singleton* getInstance()
	{
		m_mutex.lock();//上锁
		if (m_instance == nullptr)
		{
			cout << "创建实例" << endl;
			m_instance = new Singleton;
		}
		m_mutex.unlock();//解锁
		return m_instance;
	}
private:
	Singleton()
	{
		cout << "调用构造函数" << endl;
	}  
	//Singleton()=default;

	~Singleton()
	{
		cout << "调用析构函数" << endl;
	} 
	//~Singleton() = default;

	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

private:
	class FreeInstace
	{
	public:
		FreeInstace()=default;
		~FreeInstace()
		{
			if (Singleton::m_instance != nullptr)
			{
				delete Singleton::m_instance;
				cout << "单例销毁" << endl;

			}
		}
	};
private:
	//静态私有对象
	static Singleton* m_instance;
	static FreeInstace m_freeinstance;
	static mutex m_mutex;
};

Singleton* Singleton::m_instance = nullptr; //初始化
Singleton::FreeInstace Singleton::m_freeinstance;
mutex Singleton::m_mutex;

该方案的缺点在于对Singleton的每次访问都需要获取一个锁，锁导致速度慢，效率低。但实际上，我们只需要一个锁，初始化m_instance时(即确定m_instance指向时），这应该只在第一次调用实例时发生。如果在程序运行的过程中调用了n次instance，则只在第一次调用时需要锁。当你知道n - 1个锁是不必要的，为什么还要为n个锁的获取买单呢?

3.双层检查锁定优化

static Singleton* getInstance()
	{
		if (m_instance == nullptr)
		{
			m_mutex.lock();//上锁
			if (m_instance == nullptr)
			{
				cout << "创建实例" << endl;
				m_instance = new Singleton;
			}
			m_mutex.unlock();//解锁
		}
		return m_instance;
	}

双层检查锁定的关键是观察到大多数对instance的调用将看到m_instance是非空的，因此不会尝试初始化它。因此，它尝试获取锁之前测试m_instance是否为空。只有当测试成功(即m_instance尚未初始化)时，才会获得锁，然后再次执行测试以确保m_instance仍然为空(因此称为双重检查锁定)。第二个测试是必要的，因为，正如上面描述的情况在m_instance第一次被测试到获得锁的时间之间，有可能发生另一个线程初始化m_instance的情况。

使用双层检查锁定将已经初始化的对象的直接返回。可以使代码性能会大大加快。但它们没有考虑到一个更基本的问题，即确保在双层检查锁定期间执行的机器指令以可接受的顺序执行。

m_instance = new Singleton;

这个语句导致三件事发生:
步骤1:分配内存来保存Singleton对象。
步骤2:在分配的内存中构造一个单例对象。
步骤3:使m_instance 指向已分配的内存。
最重要的是观察到编译器不受约束，会按照这个顺序执行这些步骤!

特别是，编译器有时允许交换步骤2和步骤3。所以可能导致访问到未初始化的对象的引用。

解决方案：可以参考如下链接C++完美单例模式 - 简书

4.双层检查锁定+智能指针

针对内存泄漏问题，除了可以方法2介绍的使用静态成员在程序结束时，销毁成员是调用析构进行delete，还可以使用智能指针,头文件引用<memory>。

class Singleton
{
public:
	static shared_ptr<Singleton> getInstance()
	{
		if (m_instance == nullptr)
		{
			m_mutex.lock();//上锁
			if (m_instance == nullptr)
			{
				cout << "创建实例" << endl;
				m_instance.reset( new Singleton(), destoryInstance);
			}
			m_mutex.unlock();//解锁
		}
		return m_instance;
	}
	static void destoryInstance(Singleton* x) 
	{
		cout << "自定义释放实例" << endl;
		delete x;
	}
private:
	Singleton()
	{
		cout << "调用构造函数" << endl;
	}
	//Singleton()=default;

	~Singleton()
	{
		cout << "调用析构函数" << endl;
	}
	//~Singleton() = default;

	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

private:
	//静态私有对象
	static  shared_ptr<Singleton> m_instance;
	static mutex m_mutex;
};

shared_ptr<Singleton> Singleton::m_instance = nullptr; //初始化
mutex Singleton::m_mutex;

应用智能指针后，在程序结束时，它自动进行资源的释放，解决了内存泄漏的问题。

三、饿汉模式实现

饿汉和懒汉的差别就在于，饿汉提前进行了创建。

1.基础实现

class Singleton
{
public:
	//公共接口获取唯一实例
	static Singleton* getInstance()
	{
		return m_instance;
	}
private:
	//构造私有
	Singleton()
	{
		cout << "调用构造函数" << endl;
	}  
	//Singleton()=default;


	~Singleton()
	{
		cout << "调用析构函数" << endl;
	} 
	//~Singleton() = default;

	//禁用拷贝构造和赋值运算符（=delete 为C++11新标准）
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

private:
	//静态私有对象
	static Singleton* m_instance;
};

Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton; //初始化

所以main还没开始，实例就已经构建完毕。获取实例的函数也不需要进行判空操作，因此也就不用双重检测锁来保证线程安全了，它本身已经是线程安全状态了。

但是内存泄漏的问题还是要解决的。

2.嵌套内部类解决内存泄漏

class Singleton
{
public:
	//公共接口获取唯一实例
	static Singleton* getInstance()
	{
		return m_instance;
	}
private:
	//构造私有
	Singleton()
	{
		cout << "调用构造函数" << endl;
	}
	//Singleton()=default;


	~Singleton()
	{
		cout << "调用析构函数" << endl;
	}
	//~Singleton() = default;

	//禁用拷贝构造和赋值运算符（=delete 为C++11新标准）
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

private:
	class FreeInstace
	{
	public:
		FreeInstace()=default;
		~FreeInstace()
		{
			if (Singleton::m_instance != nullptr)
			{
				delete Singleton::m_instance;
				cout << "单例销毁" << endl;

			}
		}
	};
private:
	//静态私有对象
	static Singleton* m_instance;
	static FreeInstace m_freeinstance;
};

Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton; //初始化
Singleton::FreeInstace Singleton::m_freeinstance;

3.智能指针解决内存泄漏 

class Singleton
{
public:
	//公共接口获取唯一实例
	static shared_ptr<Singleton> getInstance()
	{
		return m_instance;
	}

	static void destoryInstance(Singleton* x) {
		cout << "自定义释放实例" << endl;
		delete x;
	}
private:
	//构造私有
	Singleton()
	{
		cout << "调用构造函数" << endl;
	}  
	//Singleton()=default;


	~Singleton()
	{
		cout << "调用析构函数" << endl;
	} 
	//~Singleton() = default;

	//禁用拷贝构造和赋值运算符（=delete 为C++11新标准）
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

private:
	//静态私有对象
	static shared_ptr<Singleton> m_instance;
};

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

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