【设计模式】单例设计模式

设计模式概念

设计模式（Design Pattern ）是一套 被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的 总结。为什么会产生设计模式这样的东西呢？就像人类历史发展会产生兵法。最开始部落之间打仗时都是人拼人的对砍。后来春秋战国时期，七国之间经常打仗，就发现打仗也是有套路的，后来孙子就总结出了《孙子兵法》。孙子兵法也是类似。
使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。

单例模式

一个类只能创建一个对象，即单例模式，该模式可以保证系统中该类只有一个实例，并提供一个 访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享 。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再
通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。
单例模式有两种实现模式：

饿汉模式

就是说不管你将来用不用，程序启动时就创建一个唯一的实例对象。

cpp 复制代码

#include <iostream>
class Singleton
{
public:
	static Singleton* getInstance()	// 3.获取类的唯一实例对象的接口方法
	{
		return &instance;
	}
private:
	static Singleton instance; // 2.定义一个唯一的类的实例对象
	Singleton() // 1.构造函数私有化
	{

	}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton Singleton::instance;

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

因为单例模式只能实例化出一个对象，所以p1 = p2 = p3。

如果这个单例对象在多线程高并发环境下频繁使用，性能要求较高，那么显然使用饿汉模式来避免资源竞争，提高响应速度更好。

懒汉模式

如果单例对象构造十分耗时或者占用很多资源，比如加载插件啊，初始化网络连接啊，读取
文件啊等等，而有可能该对象程序运行时不会用到，那么也要在程序一开始就进行初始化，就会导致程序启动时非常的缓慢。所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好。
唯一的实例对象，直到第一次获取它的时候，才产生。

cpp 复制代码

#include <iostream>
class Singleton
{
public:
	static Singleton* getInstance()	// 3.获取类的唯一实例对象的接口方法
	{
		if (instance == nullptr)
		{
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
private:
	static Singleton *instance; // 2.定义一个唯一的类的实例对象
	Singleton() // 1.构造函数私有化
	{

	}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton *Singleton::instance = nullptr;

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

我们把Singleton类中的实例对象改为指针，在外部实例化的时候我们初始化为nullptr，我们在getInstance（）函数中，如果instamce是nullptr的话，就给它new一块内存来实例化一个对象，如果不是空，返回已经实例化的那个对象。

懒汉式单例模式是不是线程安全的呢？？？？

答案是不是的。

cpp 复制代码

std::mutex mtx;
class Singleton
{
public:
	static Singleton* getInstance()	// 3.获取类的唯一实例对象的接口方法
	{
		// std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);	// 锁的粒度太大了，单线程的时候也要不断加锁解锁，太浪费了
		if (instance == nullptr)
		{
			std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
			if (instance == nullptr) {
				instance = new Singleton();
			}
		}
		return instance;
	}
private:
	static Singleton *volatile instance; // 2.定义一个唯一的类的实例对象
	Singleton() // 1.构造函数私有化
	{

	}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton *volatile Singleton::instance = nullptr;

上面的代码使用锁 + 双重判断来保证线程安全。

cpp 复制代码

class Singleton
{
public:
	static Singleton* getInstance()	// 3.获取类的唯一实例对象的接口方法
	{
		// std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);	// 锁的粒度太大了，单线程的时候也要不断加锁解锁，太浪费了
		static Singleton instance;
		return &instance;
	}
private:
	Singleton() // 1.构造函数私有化
	{}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

上面的这段代码，也是在第一次调用getInstance方法的时候才实例化对象，它也是线程安全的，因为函数静态局部变量的初始化，在汇编指令上已经自动添加线程互斥指令了。

在Linux环境中，通过g++编译上面的代码，命令如下：

bash 复制代码

g++ -o main main.cpp -g

生成可执行文件main，用gdb进行调试，到getInstance函数，并打印该函数的汇编指令，如下：