设计模式-单例模式

一、简介

常用场景：日志模块，数据库模块

单例模式指的是一个类无论创建多少次对象，永远只能得到该类型一个对象的实例。

实现条件：

构造函数私有化，禁止用户任意创建对象
定义该类唯一的实例对象
通过一个static静态成员方法返回唯一的对象实例
禁用拷贝构造和拷贝复制运算符

二、饿汉式单例模式

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	static Singleton* getInstance() // 获取类的唯一实例对象的接口方法
	{
		return &single;
	}
private:
	static Singleton single;   // 定义一个唯一的实例对象
	Singleton() { cout << "Singleton()" << endl; }  // 构造私有化
	~Singleton() { cout << "~Singleton()" << endl; }
	Singleton(const Singleton&) = delete;//防止外部使用拷贝构造产生新的对象，如下面Singleton s = *p1;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton Singleton::single;

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

三、懒汉式单例模式

cpp 复制代码

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

所以，懒汉式单例模式，顾名思义，就是对象的实例化，延迟到第一次使用它的时候。

四、线程安全的单例模式

首先考虑一下以上两种单例模式是否线程安全

饿汉单例模式的线程安全特性
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。
懒汉单例模式的线程安全特性
懒汉单例模式，获取单例对象的方法如下：

cpp 复制代码

static Singleton* getInstance()
{
	if (instance == nullptr) {
		/*
		开辟内存
		构造对象
		给instance赋值
		*/
		instance = new Singleton();
	}
	return instance;
}

上述三个步骤独立，所以多线程情况下会出现竞态，需要加锁

cpp 复制代码

static Singleton* getInstance()
{
	lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
	if (instance == nullptr) {
		instance = new Singleton();
	}
	return instance;
}

但是上述锁的粒度有点大，导致单线程情况下也要不断加锁，如果放在判断条件内肯定也是不对，所以考虑双重判断

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include <mutex>
using namespace std;
std::mutex mtx;
class Singleton
{
public:
	static Singleton* getInstance()
	{
		if (instance == nullptr) {
			lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
			if (instance == nullptr) {
				instance = new Singleton();
			}
		}
		return instance;
	}
private:
	static Singleton* volatile instance;
	Singleton() { cout << "Singleton()" << endl; }
	~Singleton() { cout << "~Singleton()" << endl; }
	Singleton(const Singleton&) = delete;//防止外部使用拷贝构造产生新的对象，如下面Singleton s = *p1;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton* volatile Singleton::instance = nullptr;

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

volatile关键字在这里的作用就是为了线程A对共享变量改变后，其他线程能直接看到新的值，而不是自己的缓存。

五、C++11后出现的局部static对象

cpp 复制代码

class Singleton
{
public:
	static Singleton* getInstance()
	{
		static Singleton  instance;
		return &instance;
	}
private:
	Singleton() { cout << "Singleton()" << endl; }
	~Singleton() { cout << "~Singleton()" << endl; }
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

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！