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C++设计模式(单例模式)

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

 

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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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