C++设计模式--单例模式

单例模式简介

单例模式指的是，无论怎么获取，永远只能得到该类类型的唯一一个实例对象，那么设计一个单例就必须要满足下面三个条件：

构造函数私有化，这样用户就不能任意定义该类型的对象了
定义该类型唯一的对象
通过一个static静态成员方法返回唯一的对象实例

饿汉单例模式

饿汉式 单例模式，顾名思义，就是程序启动时就实例化了该对象，并没有推迟到第一次使用该对象时再进行实例化；如果运行过程中没有使用到，该实例对象就被浪费掉了。

class CSingleton{
public:
	static CSingleton* getInstance()
	{
		return &single;
	}
private:
	static CSingleton single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl; }
	CSingleton(const CSingleton&); 
    // 防止外部使用拷贝构造产生新的对象，如下面CSingleton s = *p1;
};
CSingleton CSingleton::single;

int main(){
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	cout<<p1<<" "<<p2<<" "<<p3<<endl;
	return 0;
}

是否线程安全？

饿汉单例模式中，单例对象定义成了一个static静态对象，它是在程序启动时，main函数运行之前就初始化好的，因此不存在线程安全问题，可以放心的在多线程环境中使用。

懒汉单例模式

程序启动时，只对single指针初始化了空值，等第一次调用getInstance函数时，由于single指针为nullptr，才进行对象的实例化，所以是一个懒汉式单例模式（对象的实例化，延迟到第一次使用它的时候）。

class CSingleton{
public:
	static CSingleton* getInstance(){
		if (nullptr == single){
			single = new CSingleton();
		}
		return single;
	}
private:
	static CSingleton *single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl; }
	CSingleton(const CSingleton&);
};
CSingleton* CSingleton::single = nullptr;

int main(){
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	cout << p1 << " " << p2 << " " << p3 << endl;
	return 0;
}

上面new出来的对象，没见过delete，这样不好吧，当然了，有new没有delete，不配对啊！还有人说，管它呢，当前进程结束的时候，系统反正会回收分配给它的所有资源，包括未回收的内存，但是作为C++开发者，资源的分配和回收，我们必须要考虑清楚，不能糊涂，那么下面的修改感觉如何：

int main(){
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	cout << p1 << " " << p2 << " " << p3 << endl;
	delete p1;    // 这里delete之前new过的对象，析构对象并且释放堆上的内存
	return 0;
}

这种方式怎么看，怎么不舒服，首先资源的释放如果交给用户来操作，难免会忘记写delete，又或者多次delete，成释放野指针了，所以上面释放单例对象资源的方式不够好，我们利用static静态对象在程序结束时自动析构这么一个特征，给出如下释放资源的代码，肯定比上面的方式要好，代码如下：

class CSingleton{
public:
	static CSingleton* getInstance(){
		if (nullptr == single){
			single = new CSingleton();
		}
		return single;
	}
private:
	static CSingleton *single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl; }
	CSingleton(const CSingleton&);

	// 定义一个嵌套类，在该类的析构函数中，自动释放外层类的资源
	class CRelease{
	public:
		~CRelease() { delete single; }
	};
	// 通过该静态对象在程序结束时自动析构的特点，来释放外层类的对象资源
	static CRelease release;
};
CSingleton* CSingleton::single = nullptr;
CSingleton::CRelease CSingleton::release;

int main(){
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	cout << p1 << " " << p2 << " " << p3 << endl;
	return 0;
}

是否线程安全？

static CSingleton* getInstance(){
	if (nullptr == single){
		single = new CSingleton();
	}
	return single;
}

很明显，这个getInstance是个不可重入函数，也就它在多线程环境中执行，会出现竞态条件 问题，首先搞清楚这句代码，single = new CSingleton()它会做三件事情，开辟内存，调用构造函数，给single指针赋值，那么在多线程环境下，就有可能出现如下问题：

线程A先调用getInstance函数，由于single为nullptr，进入if语句
new操作先开辟内存，此时A线程的CPU时间片到了，切换到B线程
B线程由于single为nullptr，也进入if语句了，开始new操作

很明显，上面两个线程都进入了if语句，都试图new一个新的对象，不符合单例模式的设计，那该如何处理呢？对了，应该为getInstance函数内部加锁，在线程间进行互斥操作。此处使用锁+双重判断 ，也叫双重检验锁，代码如下：

static CSingleton* getInstance(){
	if (nullptr == single){
		// 获取互斥锁
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		// 这里需要再添加一个if判断，否则当两个线程都进入这里，又会多次new对象
		if(nullptr == single){
			single = new CSingleton();
		}
		// 释放互斥锁
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
	}
	return single;
}

#include <iostream>
using namespace std;

class CSingleton{
public:
	static CSingleton* getInstance(){
		static CSingleton single; // 懒汉式单例模式，定义唯一的对象实例
		return &single;
	}
private:
	static CSingleton *single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl;}
	CSingleton(const CSingleton&);
};
int main(){
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	return 0;
}

对于static静态局部变量的初始化，编译器会自动对它的初始化进行加锁和解锁控制，使静态局部变量的初始化成为线程安全的操作，不用担心多个线程都会初始化静态局部变量，因此上面的懒汉单例模式是线程安全的单例模式！