设计模式学习之——单例模式

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单例模式

单例模式

什么叫做单例模式

顾名思义，简单来说，单例模式就是只有一个用例的意思
那么官方一点解释是什么：

单例模式是一种设计模式，它确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例 。这种模式在多种编程语言中都有实现，包扩Java和C++。单例模式的实现可以采取饿汉式 或懒汉式两种方式。**饿汉式是在类加载时就创建了实例，而懒汉式则是在首次使用时才创建实例。**懒汉式在多线程环境下可能会遇到线程安全问题，需要额外的线程安全措施来保证单例对象的唯一性

单例模式的动机

这里有一个问题：Windows的任务管理器无论启动多少次，为什么始终只能弹出一个任务管理器的窗口呢？也就是说在一个Windows系统中，任务管理器存在唯一性，为什么要这样设计呢？

可以从以下两个方面来分析：

其一，如果能弹出多个窗口，且这些窗口的内容完全一致，全部是重复对象，这势必会浪费系统资源（任务管理器需要获取系统运行时的诸多信息，这些信息的获取需要消耗一定的系统资源，包括CPU资源及内存资源等），而且根本没有必要显示多个内容完全相同的窗口；
其二，如果弹出的多个窗口内容不一致，问题就更加严重了，这意味着在某一瞬间系统资源使用情况和进程、服务等信息存在多个状态，例如任务管理器窗口A显示"CPU使用率"为10%，窗口B显示"CPU使用率"为15%，到底哪个才是真实的呢？这会给用户带来误解，更不可取。

在实际开发中也经常遇到类似的情况，为了节约系统资源，有时需要确保系统中某个类只有唯一一个实例 ，当这个唯一实例创建成功之后，无法再创建一个同类型的其他对象，所有的操作都只能基于这个唯一实例。为了确保对象的唯一性，可以通过单例模式来实现，这就是单例模式的动机所在。

简单单例模式

模拟实现一下Windows任务管理器

为了实现WIndows任务管理器的唯一性，通过以下三步对TaskManager类进行重构

由于每次使用new关键字来实例化TaskManager类时都将产生一个新对象，为了确保TaskManager实例的唯一性，需要禁止类的外部直接使用new来创建对象，因此需要将TaskManager的构造函数的可见性改为private，代码如下：
将构造函数的可见性改为private后，虽然类的外部不能再使用new来创建对象，但是在TaskManager的内部还是可以创建对象的，可见性只对类外有效。因此，可以在TaskManager中创建并保存这个唯一实例。为了让外界可以访问这个唯一实例，需要在TaskManager中定义一个静态的TaskManager类型的私有成员变量，代码如下：
为了保证成员变量的封装性，将TaskManager类型的tm对象的可见性设置为private，但外界该如何使用该成员变量并何时实例化该成员变量呢？答案是增加一个公有的静态方法，代码如下：

在getInstance（）方法中首先判断tm对象是否存在，如果不存在（即tm＝＝null为true），则使用new关键字创建一个新的TaskManager类型的tm对象，再返回新创建的tm对象；否则直接返回已有的tm对象。

需要注意的是getInstance（）方法的修饰符，首先它应该是一个public方法，以便外界其他对象使用；其次它使用了static关键字，即它是一个静态方法，在类外可以直接通过类名来访问，而无须创建TaskManager对象。事实上，在类外也无法创建TaskManager对象，因为构造函数是私有的。

思考

为什么要将成员变量tm定义为静态变量？

通过以上三个步骤，完成了一个个最简单的单例类的设计，其完整代码如下：

cpp 复制代码

class TaskManager{
    private:
    TaskManager(){}//初始化窗口
    public:
    void displayProcess(){}//显示进程
    void displayServices(){}//显示服务
    public:
    static TaskManager* getInstance(){
        if(tm == nullptr)
        {
            tm = new TaskManager();
        }
        return tm;
    }
    private:
    static TaskManager *tm;
};
TaskManager * TaskManager::tm = nullptr;

在类外无法直接创建新的TaskManager对象，但可以通过代码TaskManager::getInstance（）访问实例对象。第一次调用getInstance（）方法时将创建唯一实例，再次调用时将返回第一次创建的实例。

饿汉式单例和懒汉式单例

上面的简单的单例模式存在一个问题，在多线程的场景下，++当第一次调用getInstanc()时创建并对象时，tm为nullptr值，因此系统将执行代码 tm = new Taskanager();在这个过程中，如果初始化工作要进行大量工作，则需要一段时间来创建TaskManager对象。而在此时，如果再一次调用getInstance()方法（通常发生在多线程环境中），由于TaskManager对象尚未创建成功，仍为nullptr值，判断条件"tm == nullptr"为真值，因此代码 tm = new TaskManager();会再次执行，导致最终创建了多个tm对象，这违背了单例模式的初衷，也可能会导致发生运行错误。++

那么如何解决这个问题呢？

饿汉式单例

从图中可以看到当类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造函数会被调用，单例类的唯一实例将被创建，可确保单例对象的唯一性。

懒汉式单例

在前面的简单单例模式的介绍中，我们用的就是懒汉式的单例模式，但是在多线程的场景中会出现问题，在 C++11 中，静态局部变量这种方式天然是线程安全的，不存在线程不安全的问题。原因是C++ 11标准中新增了一个特性叫Magic Static：如果变量在初始化时，并发线程同时进入到static声明语句，并发线程会阻塞等待初始化结束。

但是为了方便学习我们还是需要在这里引入互斥锁

cpp 复制代码

class LazySingleton
{
private:
    LazySingleton() {}
    ~LazySingleton() {}

private:
    static LazySingleton *instance;
    static std::mutex mutex; // 互斥锁
public:
    static LazySingleton *getInstance()
    {
        if (instance == nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex); // 加锁

            if (instance == nullptr)
            {
                instance = new LazySingleton();
            }
        }
        return instance;
    }
};
LazySingleton* LazySingleton::instance = nullptr;

单例模式总结

单例模式作为一种目标明确、结构简单、理解容易的设计模式，在软件开发中使用频率相当高，在很多应用软件和框架中都得以广泛应用。

1．主要优点

单例模式的主要优点如下：

（1）单例模式提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。

（2）由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源。对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。

（3）允许可变数目的实例。基于单例模式，开发人员可以进行扩展，使用与控制单例对象相似的方法来获得指定个数的实例对象，既节省系统资源，又解决了由于单例对象共享过多有损性能的问题。（注：自行提供指定数目实例对象的类可称之为多例类。）

2．主要缺点

单例模式的主要缺点如下：

（1）由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。

（2）单例类的职责过重，在一定程度上违背了单一职责原则。因为单例类既提供了业务方法，又提供了创建对象的方法（工厂方法），将对象的创建和对象本身的功能耦合在一起。

（3）现在很多面向对象语言（如Java、C＃）的运行环境都提供了自动垃圾回收技术，因此，如果实例化的共享对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致共享的单例对象状态的丢失。

3．适用场景

在以下情况下可以考虑使用单例模式：

（1）系统只需要一个实例对象。例如，系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。

（2）客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点。除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。