单例模式（C++）

news2024/10/6 0:33:09

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。

应用场景

  • 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。

结构

在这里插入图片描述

代码示例

普通懒汉式（线程不安全）

多线程情况下线程不安全

//Singleton.h
/****************************************************/
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H

///  普通懒汉式实现 -- 线程不安全 //
#include <iostream> // std::cout
#include <mutex>    // std::mutex
#include <pthread.h> // pthread_create
class SingleInstance
{

public:
    // 获取单例对象
    static SingleInstance *GetInstance();

    // 释放单例，进程退出时调用
    static void deleteInstance();
	
	// 打印单例地址
    void Print();

private:
	// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构
    SingleInstance();
    ~SingleInstance();

    // 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值
    SingleInstance(const SingleInstance &signal);
    const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);

private:
    // 唯一单例对象指针
    static SingleInstance *m_SingleInstance;
};

//初始化静态成员变量
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;

SingleInstance* SingleInstance::GetInstance()
{

	if (m_SingleInstance == NULL)
	{
	    m_SingleInstance = new (std::nothrow) SingleInstance;  // 没有加锁是线程不安全的，当线程并发时会创建多个实例
	}

    return m_SingleInstance;
}

void SingleInstance::deleteInstance()
{
    if (m_SingleInstance)
    {
        delete m_SingleInstance;
        m_SingleInstance = NULL;
    }
}

void SingleInstance::Print()
{
	std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}

SingleInstance::SingleInstance()
{
    std::cout << "构造函数" << std::endl;
}

SingleInstance::~SingleInstance()
{
    std::cout << "析构函数" << std::endl;
}
///  普通懒汉式实现 -- 线程不安全  //

// 线程函数
void *PrintHello(void *threadid)
{
    // 主线程与子线程分离，两者相互不干涉，子线程结束同时子线程的资源自动回收
    pthread_detach(pthread_self());

    // 对传入的参数进行强制类型转换，由无类型指针变为整形数指针，然后再读取
    int tid = *((int *)threadid);

    std::cout << "Hi, 我是线程 ID:[" << tid << "]" << std::endl;

    // 打印实例地址
    SingleInstance::GetInstance()->Print();

    pthread_exit(NULL);
}

#endif

//test.cpp
/****************************************************/
#include "Singleton.h"
#include <pthread.h> // pthread_create
#define NUM_THREADS 5 // 线程个数
int main()
{
	pthread_t threads[NUM_THREADS] = {0};
    int indexes[NUM_THREADS] = {0}; // 用数组来保存i的值

    int ret = 0;
    int i = 0;

    std::cout << "main() : 开始 ... " << std::endl;

    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++)
    {
        std::cout << "main() : 创建线程:[" << i << "]" << std::endl;
        
        indexes[i] = i; //先保存i的值
		
        // 传入的时候必须强制转换为void* 类型，即无类型指针
        ret = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)&(indexes[i]));
        if (ret)
        {
            std::cout << "Error:无法创建线程," << ret << std::endl;
            exit(-1);
        }
    }

    // 手动释放单实例的资源
    SingleInstance::deleteInstance();
    std::cout << "main() : 结束! " << std::endl;
	
	return 0;
}

加锁懒汉式（线程安全）

//Singleton.h
/****************************************************/
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H
#include <pthread.h> // pthread_create
#include <iostream> // std::cout
#include <mutex>    // std::mutex
///  加锁的懒汉式实现  //
class SingleInstance
{

public:
    // 获取单实例对象
    static SingleInstance *&GetInstance();

    //释放单实例，进程退出时调用
    static void deleteInstance();
	
    // 打印实例地址
    void Print();

private:
    // 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构
    SingleInstance();
    ~SingleInstance();

    // 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值
    SingleInstance(const SingleInstance &signal);
    const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);

private:
    // 唯一单实例对象指针
    static SingleInstance *m_SingleInstance;
    static std::mutex m_Mutex;
};

//初始化静态成员变量
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;
std::mutex SingleInstance::m_Mutex;

SingleInstance *&SingleInstance::GetInstance()
{

    //  这里使用了两个 if判断语句的技术称为双检锁；好处是，只有判断指针为空的时候才加锁，
    //  避免每次调用 GetInstance的方法都加锁，锁的开销毕竟还是有点大的。
    if (m_SingleInstance == NULL) 
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // 加锁
        if (m_SingleInstance == NULL)
        {
            m_SingleInstance = new (std::nothrow) SingleInstance;
        }
    }

    return m_SingleInstance;
}

void SingleInstance::deleteInstance()
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // 加锁
    if (m_SingleInstance)
    {
        delete m_SingleInstance;
        m_SingleInstance = NULL;
    }
}

void SingleInstance::Print()
{
	std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}

SingleInstance::SingleInstance()
{
    std::cout << "构造函数" << std::endl;
}

SingleInstance::~SingleInstance()
{
    std::cout << "析构函数" << std::endl;
}
///  加锁的懒汉式实现  //


#endif

静态局部变量的懒汉单例（C++11线程安全）

//Singleton.h
/****************************************************/
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H
#include <pthread.h> // pthread_create
#include <iostream> // std::cout
#include <mutex>    // std::mutex
///  内部静态变量的懒汉实现  //
class Single
{

public:
    // 获取单实例对象
    static Single &GetInstance();
	
	// 打印实例地址
    void Print();

private:
    // 禁止外部构造
    Single();

    // 禁止外部析构
    ~Single();

    // 禁止外部复制构造
    Single(const Single &signal);

    // 禁止外部赋值操作
    const Single &operator=(const Single &signal);
};

Single &Single::GetInstance()
{
    // 局部静态特性的方式实现单实例
    static Single signal;
    return signal;
}

void Single::Print()
{
    std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}

Single::Single()
{
    std::cout << "构造函数" << std::endl;
}

Single::~Single()
{
    std::cout << "析构函数" << std::endl;
}
///  内部静态变量的懒汉实现  //


#endif

饿汉式（本身就线程安全）

//Singleton.h
/****************************************************/
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H
#include <pthread.h> // pthread_create
#include <iostream> // std::cout
#include <mutex>    // std::mutex
// 饿汉实现 /
class Singleton
{
public:
    // 获取单实例
    static Singleton* GetInstance();

    // 释放单实例，进程退出时调用
    static void deleteInstance();
    
    // 打印实例地址
    void Print();

private:
    // 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构
    Singleton();
    ~Singleton();

    // 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton &signal);
    const Singleton &operator=(const Singleton &signal);

private:
    // 唯一单实例对象指针
    static Singleton *g_pSingleton;
};

// 代码一运行就初始化创建实例 ，本身就线程安全
Singleton* Singleton::g_pSingleton = new (std::nothrow) Singleton;

Singleton* Singleton::GetInstance()
{
    return g_pSingleton;
}

void Singleton::deleteInstance()
{
    if (g_pSingleton)
    {
        delete g_pSingleton;
        g_pSingleton = NULL;
    }
}

void Singleton::Print()
{
    std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}

Singleton::Singleton()
{
    std::cout << "构造函数" << std::endl;
}

Singleton::~Singleton()
{
    std::cout << "析构函数" << std::endl;
}
// 饿汉实现 /


#endif

代码参考：C++ 线程安全的单例模式总结
我这里运行结果总是有点不尽人意，不知道是怎么回事，所以就没放运行结果，推荐看原文。

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模式一般不要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。

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