C++参悟-单例模式

一、概述

这里记录一下单例模式的最常用使用，单例模式（Single Pattern）是一种常用的软件设计模式，它属于创建型模式。单例模式的定义是确保一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个唯一的实例。该模式的核心在于控制实例的数目，使得在整个系统中，该类只被实例化一次。

1. 特点

1. 单例类只能有一个实例：这是单例模式最基本的要求，确保类的全局唯一性。
2. 单例类必须自行创建自己的唯一实例：这通常通过私有化构造函数来实现，防止外部通过new关键字直接创建实例。
3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例：这通常通过一个静态的公有方法来实现，该方法负责返回类的唯一实例。

2. 实现方式

单例模式有多种实现方式，其中最典型的是懒汉式和饿汉式。

1. 懒汉式：在真正需要使用对象时才去创建该单例类对象。这种方式在类加载时不会立即创建实例，而是在首次调用getInstance()方法时才创建，并通过加锁（如synchronized关键字）来保证多线程环境下的线程安全。但这种方式在多线程环境下存在性能问题，因为每次调用getInstance()方法时都需要进行同步判断。

2. 饿汉式：在类加载时已经创建好该单例对象，等待程序使用。这种方式因为实例在类加载时就已经创建好了，所以不需要进行同步判断，是线程安全的。但这种方式在类加载时就占用了内存资源，如果单例对象体积较大或者类加载顺序不确定时，可能会浪费内存资源。

除了懒汉式和饿汉式外，还有枚举式、双重校验锁式、静态内部类式等多种单例模式的实现方式。这些方式各有优缺点，可以根据实际需求和场景选择适合的实现方式。

3. 应用场景

单例模式适用于以下场景：

1. 全局唯一性：当需要控制某个类的实例数目为1时，可以使用单例模式。
2. 共享资源：当多个对象需要共享一个资源时，可以将该资源设计为单例模式，以避免资源的重复创建和浪费。
3. 配置信息：如应用程序的配置信息、全局缓存等，可以设计为单例模式，以便于全局访问和管理。

二、实现代码

1. 静态局部变量的懒汉单例

这个是线程安全的，因为静态局部变量的创建方式天然是线程安全的，不存在线程不安全的问题，我基本上只用这个

class Single {
public:static Single& GetInstance();			// 获取单实例对象void Print();							// 打印实例地址
private:    Single();								// 禁止外部构造~Single();								// 禁止外部析构Single(const Single &single) = delete;	// 禁止外部拷贝构造Single(const Single &&) = delete;		// 禁止右值拷贝构造const Single &operator=(const Single &single) = delete;	// 禁止外部赋值操作
};

Single& Single::GetInstance(){/*** 静态局部变量只在当前函数内有效，其他函数无法访问。* 静态局部变量只在第一次被调用的时候初始化，也存储在静态存储区，生命周期从第一次被初始化起至程序结束止。*/static Single single;return single;
}void Single::Print(){std::cout << "实例内存地址:" << this << std::endl;
}Single::Single() {std::cout << "构造函数" << std::endl;
}Single::~Single() {std::cout << "析构函数" << std::endl;
}

2. 加锁的懒汉式单例

加锁的懒汉式实现

class Single {
public:static Single *GetInstance();	// 获取单实例对象static void deleteInstance();	//释放单实例，进程退出时调用void Print();					// 打印实例地址
private:Single();						// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构~Single();Single(const Single &signal);	// 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝、赋值、右值拷贝构造Single(const Single &&) = delete;const Single &operator=(const Single &signal);
private:static Single *m_Single;		// 实例对象指针static std::mutex m_Mutex;		// 互斥锁
};

//初始化静态成员变量
Single *Single::m_Single = nullptr;
std::mutex Single::m_Mutex;// 注意：不能返回指针的引用，否则存在外部被修改的风险！
Single * Single::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_Single == nullptr){std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // 加锁if (m_Single == nullptr){volatile auto temp = new (std::nothrow) Single();m_Single = temp;}}return m_Single;
}void Single::deleteInstance(){std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // 加锁if (m_Single){delete m_Single;m_Single = nullptr;}
}void Single::Print(){std::cout << "实例内存地址:" << this << std::endl;
}Single::Single(){std::cout << "构造函数" << std::endl;
}Single::~Single(){std::cout << "析构函数" << std::endl;
}

使用智能指针

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>class Single {
public:static std::shared_ptr<Single> GetInstance();void print() {std::cout << "Hello World." << std::endl;}~Single() {std::cout << "析构函数" << std::endl;}private:Single() {std::cout << "构造函数" << std::endl;}
};static std::shared_ptr<Single> Single = nullptr;
static std::mutex SingleMutex;std::shared_ptr<Single> Single::GetInstance() {if (Single == nullptr) {std::unique_lock<std::mutex> lock(SingleMutex);if (Single == nullptr) {volatile auto temp = std::shared_ptr<Single>(new Single());Single = temp;}}return Single;
}

3. 使用 C++11 中的 std::call_one 的懒汉单例

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>class Single {
public:static std::shared_ptr<Single> GetInstance();void print() {std::cout << "Hello World." << std::endl;}~Single() {std::cout << "析构函数" << std::endl;}private:Single() {std::cout << "构造函数" << std::endl;}
};static std::shared_ptr<Single> Single = nullptr;
static std::once_flag SingleFlag;std::shared_ptr<Single> Single::GetInstance() {std::call_once(SingleFlag, [&] {Single = std::shared_ptr<Single>(new Single());});return Single;
}

4. 饿汉式单例

class Singleton{
public:    static Singleton* GetInstance();		// 获取单实例static void deleteInstance();			// 释放单实例，进程退出时调用void Print();							// 打印实例地址
private:   Singleton();							// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构~Singleton();Singleton(const Singleton &signal);		// 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Single(const Single &&) = delete;const Singleton &operator=(const Singleton &signal);private:    static Singleton *m_pSingleton;			// 单例指针
};

// 代码一运行就初始化创建实例 ，本身就线程安全
Singleton* Singleton::m_pSingleton = new (std::nothrow) Singleton();Singleton* Singleton::GetInstance(){return m_pSingleton;
}void Singleton::deleteInstance(){if (m_pSingleton)    {delete m_pSingleton;m_pSingleton = nullptr;}
}void Singleton::Print(){std::cout << "实例内存地址:" << this << std::endl;
}Singleton::Singleton(){std::cout << "构造函数" << std::endl;
}Singleton::~Singleton(){std::cout << "析构函数" << std::endl;
}