【设计模式】03：单例模式

单例模式

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• 单例模式
• • • 1.单例模式实现
    • 2.饿汉与懒汉
    • • （1）饿汉模式
      • （2）懒汉模式
    • 3.懒汉线程安全1
    • • （1）引入互斥锁
      • （2）引入双重检查锁定
      • （3）引入原子变量
    • 4.懒汉线程安全2
    • • （1）设置局部静态对象
    • 5.简单案例运用
    • • （1）任务队列简单实现
      • （2）用户登录

项目全局范围内，某个类的实例有且仅有一个，通过这个实例向其他模块提供数据的全局访问，这种模式就叫单例模式。

单例模式的典型应用就是任务队列。使用单例模式来替代全局变量（对全局变量进行管理），直接使用全局变量会破坏类的封装（全局变量随意读写），通过单例模式的类提供的成员函数进行访问。

单例模式优点：

1. 提高性能：避免频繁的创建销毁对象，提高性能，
2. 节省内存空间：在内存中只有一个对象，节省内存空间，
3. 避免多重占用：避免对共享资源的多重占用，
4. 全局访问：可全局访问，利用单例模式避免全局变量的出现

单例模式缺点：

1. 扩展困难：单例模式中没有抽象层，因此扩展困难，

2. 不适用于变化的对象：如果同类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据错误，不能保存状态。

3. 职责过重：违背了单一职责原则

4. 负面问题：

   为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多，而出现连接池溢出。

   如果实例化的单例对象长时间不被利用，系统会认为是垃圾而被回收，这将导致对象状态的丢失。

单利模式使用场景：

1. 需要频繁实例化然后销毁的对象
2. 创建对象耗时过多or消耗资源过多，但又经常使用到的对象，
3. 有状态的工具类对象，
4. 频繁访问数据库或文件的对象，
5. 要求只有一个对象的场景

1.单例模式实现

如果使用单例模式，首先要保证这个类的实例有且仅有一个。因此就必须采取一些操作，涉及一个类多对象操作的函数有以下几个：

• 构造函数：创建一个新的对象
• 拷贝构造函数：根据已有对象拷贝出一个新的对象
• 拷贝赋值操作符重载函数：两个对象之间的赋值

为了把一个类可以实例化多个对象的路堵死，需要对以上几个函数做如下处理：

1. 构造函数私有化，在类内部只调用一次这是可控的。
   • 由于类外部不能使用构造函数，所以在类内部创建的唯一的对象必须是静态的，这样就可以通过类名来访问了，为了不破坏类的封装把这个静态对象设置为私有。
   • 在类中只有它的静态成员函数才能访问其静态成员变量，所以给这个单例类提供一个静态函数用于得到这个静态的单例对象。
2. 拷贝构造函数私有化或者禁用（使用 = delete）
3. 拷贝赋值操作符重载函数私有化或者禁用（从单例的语义上讲该函数已经毫无意义，所以在类中不再提供这样一个函数，故将它也一并处理）

单例模式就是给类创建一个唯一的实例对象，UML类图如下：

#include<iostream>
using namespace std;
/*
   	1.关于类创建后的默认提供的函数
  	 - 在创建一个新的类之后 会默认提供3个构造函数 1个析构函数
  	 - 2个操作符重载（移动赋值操作符重载、拷贝赋值操作符重载）移动构造函数 拷贝构造函数
  	2.关于单例模式下类的实例化
	 - 在通过将 无参构造函数、拷贝构造函数、拷贝赋值操作符重载函数禁用之后 TaskQueue类已经无法在外部创建任何的对象
	 - 要得到TaskQueue的实例无法通过new操作符得到 只能通过类名得到（需要将对象设置为静态对象）
	 - 通过类名访问类内部的属性和方法 其属性和方法一定是静态的（若不是静态需要通过对象来调用）
	 - 能够操作静态成员变量的函数 只有静态成员函数
*/

//单例模式任务队列
class TaskQueue {
public:
	//无参构造函数
	//TaskQueue() = delete;
	//拷贝构造函数
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	//赋值操作符重载函数
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	// = delete 代表函数禁用, 也可以将其访问权限设置为私有
	
	//静态成员公共函数用于获取实例
	static TaskQueue *getInstance() { return m_taskq; }

	void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }

private:
	//无参构造函数
	TaskQueue() = default;
	//拷贝构造函数
	//TaskQueue(const TaskQueue &t) = default;
	//赋值操作符重载函数
	//TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = default;
	//通过类名访问静态属性或方法来创建类实例（需要在类外部做初始化处理）
	static TaskQueue *m_taskq;
};

//静态成员初始化放到类外部处理
TaskQueue* TaskQueue::m_taskq = new TaskQueue;

int main() {
	//获取TaskQueue的单例对象 由m_taskq指针指向
	TaskQueue* m_taskq = TaskQueue::getInstance();
	//由m_taskq指针调用单例类内部的成员方法
	m_taskq->printTest();
	return 0;
}

以上为单例模式中的饿汉模式，在定义单例类的时候就将类对应的单例对象一并创建出来了。

2.饿汉与懒汉

在实现一个单例模式的类的时候，有两种处理模式：

• 饿汉模式：在将单例类定义出来后实例就已经存在了，饿汉模式没有线程安全问题
• 懒汉模式：在使用单例对象的时候才会去创建单例对象的实例（节省内存空间），懒汉模式存在线程安全问题（多个线程同时访问单例的实例）

（1）饿汉模式

1. 多个线程在访问单例对象时，没有线程安全问题，单例对象已经存在，不会出现多个线程创建出多个单例对象的情况。
2. 多线程拿到单例对象后，在访问单例对象内部的数据时，有线程安全问题（多线程共享资源），

//饿汉模式
class TaskQueue {
public:
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	static TaskQueue *getInstance() { return m_taskq; }
	void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }

private:
	TaskQueue() = default;
	static TaskQueue *m_taskq;
};

TaskQueue* TaskQueue::m_taskq = new TaskQueue;

//饿汉模式
class TaskQueue {
public:
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	static TaskQueue *getInstance() { return &m_taskq; }
	void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }

private:
	TaskQueue() = default;
	static TaskQueue m_taskq;//已经创建对象
};

TaskQueue* TaskQueue::m_taskq;//改为对象声明

（2）懒汉模式

//懒汉模式
class TaskQueue {
public:
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	static TaskQueue *getInstance() {
		if (m_taskq == nullptr) m_taskq = new TaskQueue;
		return m_taskq;
	}
	void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }

private:
	TaskQueue() = default;
	static TaskQueue *m_taskq;
};

TaskQueue* TaskQueue::m_taskq = nullptr;

3.懒汉线程安全1

在单例模式中饿汉模式下，针对在多线程中可能存在的线程安全问题（创建多个实例），进行问题修改：

（1）引入互斥锁

在多线程环境下，有可能的情况是：多个线程同时进入到getInstance()方法中的if语句判断中，这时对象就可能被同时创建多个，

//懒汉模式 引入互斥锁
class TaskQueue {
public:
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	static TaskQueue *getInstance() {
		m_mutex.lock();
		if (m_taskq == nullptr) m_taskq = new TaskQueue;
		m_mutex.unlock();
		return m_taskq;
	}
	void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }

private:
	TaskQueue() = default;
	static TaskQueue *m_taskq;
	static mutex m_mutex;
};

mutex TaskQueue::m_mutex;
TaskQueue* TaskQueue::m_taskq = nullptr;

使用互斥锁对new操作创建实例时进行加锁操作，防止同时创建多个实例，但是程序执行的效率太低（多线程访问单例对象时都是顺序访问）

（2）引入双重检查锁定

双重检查锁定，只有第一次访问时是顺序执行的，在TaskQueue被实例化出来之后，其他线程再去访问单例对象就是并行的了（不会进入if内）。

//懒汉模式 引入双重检查锁定
class TaskQueue {
public:
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	static TaskQueue *getInstance() {
		//双重检查锁定
		if (m_taskq == nullptr) {
			m_mutex.lock();
			if (m_taskq == nullptr) m_taskq = new TaskQueue;
			m_mutex.unlock();	
		}
		return m_taskq;
	}
	void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }

private:
	TaskQueue() = default;
	static TaskQueue *m_taskq;
	static mutex m_mutex;
};

mutex TaskQueue::m_mutex;
TaskQueue* TaskQueue::m_taskq = nullptr;

（3）引入原子变量

通过引入双重检查锁定的方式，解决了在懒汉模式下多线程访问单例对象时，出现的线程安全问题，

从表面上观察引入双重检查锁定的方式是十分完美的，但是从底层上依旧存在漏洞：

1. 对于 m_taskq = new TaskQueue; 操作，其对应的机器指令并不是一条，而有三条（对于计算机来说代码都是二进制指令/机器指令），

   step1：创建一块内存（没有数据）
   step2：创建 TaskQueue 类型的对象，并将数据写入到对象中
   step3：为 m_taskq 对象指针初始化，将有效的内存地址传递给 m_taskq 对象指针
   

2. 在实际的执行过程中，m_taskq = new TaskQueue; 对应的机器指令可能会被重新排序，成为

   step1：创建一块内存（没有数据）
   step3：为 m_taskq 对象指针初始化，将有效的内存地址传递给 m_taskq 对象指针
   step2：创建 TaskQueue 类型的对象，并将数据写入到对象中
   

3. 如果线程A执行完成前两步之后失去CPU时间片被挂起，此时线程B在进行指针判断时，发现指针 m_taskq 不为空（但该指针指向内存没有被初始化），导致线程B使用了一个没有被初始化的队列对象，就会出现问题（出现问题是概率性的）

4. 在C++11中引入原子变量 atomic，在底层控制机器指令的执行顺序，可以实现一种更加安全的懒汉模式，代码如下：

   使用原子变量 atomic 的 store() 方法来存储单例对象，使用 load() 方法来加载单例对象，

   在原子变量中这两个函数在处理指令的时候，默认的原子顺序是 memory_order_seq_cst 顺序原子操作，

   使用顺序约束原子操作库，整个函数的执行都将保证顺序执行，并且不会出现数据竞态 data races，

   缺点：使用这种方法实现的懒汉模式的单例执行效率更低一些，

   对代码进行以下修改：

   • 通过原子变量将类的实例对象保存起来（m_taskq 指针指向的内存）

   • 类外初始化 指针指向为nullptr

   • 对 getInstance 方法进行相关的修改操作

     多线层在调用 getInstance 方法时 需要从原子变量中加载任务队列的实例

     抢到互斥锁的线程将继续向下执行 创建实例对象

//懒汉模式 引入原子变量
class TaskQueue {
public:
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	static TaskQueue *getInstance() {
		TaskQueue* taskq = m_taskq.load();
		if (taskq == nullptr) {
			m_mutex.lock();
			taskq = m_taskq.load();
			if (taskq == nullptr) {
				taskq = new TaskQueue;
				m_taskq.store(taskq);
			}
			m_mutex.unlock();
		}
		return m_taskq.load();
	}
	void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }

private:
	TaskQueue() = default;
	// static TaskQueue *m_taskq;
	static atomic<TaskQueue*> m_taskq;
	static mutex m_mutex;
	
};

mutex TaskQueue::m_mutex;
atomic<TaskQueue*> TaskQueue::m_taskq;
// TaskQueue* TaskQueue::m_taskq = nullptr;

4.懒汉线程安全2

在懒汉模式线程安全问题中，除了可以通过引入双重检查锁定来解决线程安全问题，还可以使用局部静态对象处理线程安全问题，

（1）设置局部静态对象

使用静态的局部对象解决线程安全问题，要求编译器必修支持C++11标准，

1. 在 getInstance() 局部函数中定义一个静态局部对象 static TaskQueue taskq; （调用无参构造初始化）
2. 在C++11标准中规定，如果指令逻辑进入一个未被初始化的声明变量，所有并发执行应当等待该变量完成初始化，

注：使用静态的局部对象没有线程安全问题，已经由C++11标准中的编译器解决，未被初始化的变量，必须等待其完成初始化才能并发执行，

step1：创建一块内存（没有数据）
step2：创建 TaskQueue 类型的对象，并将数据写入到对象中（完成初始化操作）
step3：为 m_taskq 对象指针初始化，将有效的内存地址传递给 m_taskq 对象指针

// 懒汉模式 静态局部对象
class TaskQueue {
public:
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	static TaskQueue* getInstance() {
		static TaskQueue taskq;
		return &taskq;
	}
	void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }
private:
	TaskQueue() = default;
};

5.简单案例运用

（1）任务队列简单实现

1. 多线程拿到单例对象后，在访问单例对象内部的数据时，有线程安全问题（多线程共享资源），使用互斥锁保护多线程中共享的资源，

2. C++11中给互斥锁加/解锁有两种方式，

   方法1：调用mutex对象的 unlock(); lock(); 方法

   方法2：使用lock_gurd自动管理加/解锁 lock_guard<mutex> locker(m_mutex);

   使用 lock_gurd 可以有效的避免死锁的问题，自动加/解锁

// 饿汉模式
class TaskQueue {
public:
	TaskQueue(const TaskQueue &t) = delete;
	TaskQueue& operator=(const TaskQueue &t) = delete;
	static TaskQueue *getInstance() { return m_taskq; }
    void printTest() { cout << "i am a public method of a singleton class" << endl; }
    // 判断任务队列是否为空
    bool isEmpty() {
        lock_guard<mutex> locker(m_mutex);
        return m_data.empty();
    }
    // 添加任务
    void addTask(int node) { 
        lock_guard<mutex> locker(m_mutex);
        m_data.push(node);
    }
    // 删除任务
    bool removeTask() {
        lock_guard<mutex> locker(m_mutex);
        if (m_data.empty()) return false;
        m_data.pop();
        return true;
    }
    // 获取队头任务
    int takeTask() {
        lock_guard<mutex> locker(m_mutex);
        if (m_data.empty()) return -1;
        return m_data.front();
    }
private:
    TaskQueue() = default;
	static TaskQueue *m_taskq;
    // 任务队列
    queue<int> m_data;
    mutex m_mutex;
};

TaskQueue* TaskQueue::m_taskq = new TaskQueue;

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

int main() {
    // 获取单例对象
    TaskQueue *taskq = TaskQueue::getInstance();
    taskq->printTest();
    // 生产者线程
    // 使用匿名函数指定线程的处理动作
    thread t1([=](){
        for (int i = 0; i < 25; ++i) {
            taskq->addTask(i + 100);
            cout << "++push data:" << i + 100 << ", threadId = " << this_thread::get_id() << endl;
            this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));//休眠500ms
        }
    });
    // 消费者线程
    thread t2([=](){
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
        while(!taskq->isEmpty()) {
            // 开始消费
            cout << "--take data:" << taskq->takeTask() << ", threadId = " << this_thread::get_id() << endl;
            taskq->removeTask();
            this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(1000));//休眠500ms
        }
    });
    // 主线程阻塞 只有当t1、t2线程都结束后 主线程解除阻塞
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

（2）用户登录

当用户成功登录之后，用户名和密码就会被存储到内存中，可以创建一个单例类，将用户数据保存到单例对象中，

class Test {
public:
	static Test* getInstance() { return &m_test; }
    // m_user
    void setUserName(QString name) {
        // 多线程下需要加锁解锁（涉及写操作）
        // lock();
        m_user = name;
        // unlock();
    }
    QString getUserName(){ return m_user; }
    // m_passwd
    // ....
    // ....
    // ....
private:
	Test();
	Test(const Test& t);
	static Test* m_test;
    // static Test m_test;
    // 定义变量 -> 属于唯一的单例对象
    QString m_user;
    QString m_passwd;
    QString m_ip;
    QString m_port;
    QString m_token;
}
Test* Test::m_test = new Test();	// 初始化
// Test Test::m_test;

tips：部分内容参考课程、书籍与网络等，题解、图示及代码内容根据老师课程、二次整理以及自己对知识的理解，进行整理和补充，仅供学习参考使用，不可商业化。