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,那么设计一个单例模型要满足下面三个条件:

  1. 构造函数和析构函数为private,禁止外部构造和析构
  2. 拷贝构造函数和赋值构造函数被删除,确保实例的唯一性
  3. 类中存在可以全局访问获取实例的静态方法

单例模式全局只需要创建一个对象,比较常用的就是日志类,在整个项目中,需要打印一些提示信息到控制台或者到日志文件中,对于这个日志打印实现,全局只需要一个日志类对象。

单例模式分类 :

单例模式可以分类懒汉式和饿汉式,两者的区别子啊创建实例的时间不同:

  • 懒汉式:程序运行时,实例并不存在;只有当需要使用该实例时,才会去创建并使用该实例(需要考虑线程安全问题)
  • 饿汉式:程序一开始运行,就初始化创建实例,当需要时,直接调用即可(本身就线程安全,不存在多线程不安全问题)。

这里介绍了线程安全的简单概念

懒汉单例模式

学习设计模式,就要在优秀的项目中发现设计的精妙之处,这里以c++11重写的muduo库中的日志类为例:
Logger.h

cpp 复制代码
#pragma once
#include <string>
#include "noncopyable.h"

// LOG_INFO("%s %d", arg1, arg2)
#define LOG_INFO(logmsgFormat, ...)                       \
    do                                                    \
    {                                                     \
        Logger &logger = Logger::instance();              \
        logger.setLogLevel(INFO);                         \
        char buf[1024] = {0};                             \
        snprintf(buf, 1024, logmsgFormat, ##__VA_ARGS__); \
        logger.log(buf);                                  \
    } while (0)

#define LOG_ERROR(logmsgFormat, ...)                      \
    do                                                    \
    {                                                     \
        Logger &logger = Logger::instance();              \
        logger.setLogLevel(ERROR);                        \
        char buf[1024] = {0};                             \
        snprintf(buf, 1024, logmsgFormat, ##__VA_ARGS__); \
        logger.log(buf);                                  \
    } while (0)

#define LOG_FATAL(logmsgFormat, ...)                      \
    do                                                    \
    {                                                     \
        Logger &logger = Logger::instance();              \
        logger.setLogLevel(FATAL);                        \
        char buf[1024] = {0};                             \
        snprintf(buf, 1024, logmsgFormat, ##__VA_ARGS__); \
        logger.log(buf);                                  \
        exit(-1);                                         \
    } while (0)

#ifdef MUDEBUG
#define LOG_DEBUG(logmsgFormat, ...)                      \
    do                                                    \
    {                                                     \
        Logger &logger = Logger::instance();              \
        logger.setLogLevel(DEBUG);                        \
        char buf[1024] = {0};                             \
        snprintf(buf, 1024, logmsgFormat, ##__VA_ARGS__); \
        logger.log(buf);                                  \
    } while (0)
#else
#define LOG_DEBUG(logmsgFormat, ...)
#endif

// 定义日志的级别 INFO ERROR FATAL DEBUG
enum LogLevel
{
    INFO,  // 普通信息
    ERROR, // 错误信息
    FATAL, // core dump信息
    DEBUG, // 调试信息
};

// 输出一个日志类
class Logger : noncopyable
{
public:
    // 获取日志唯一的实例对象 单例
    static Logger &instance();
    // 设置日志级别
    void setLogLevel(int level);
    // 写日志
    void log(std::string msg);

private:
    int logLevel_;
};

Logger.c

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include "Logger.h"
#include "Timestamp.h"

// 获取日志唯一的实例对象 单例
//饿汉式 线程安全
Logger &Logger::instance()
{
    static Logger logger;
    return logger;
}

// 设置日志级别
void Logger::setLogLevel(int level)
{
    logLevel_ = level;
}

// 写日志 [级别信息] time : msg
void Logger::log(std::string msg)
{
    std::string pre = "";
    switch (logLevel_)
    {
    case INFO:
        pre = "[INFO]";
        break;
    case ERROR:
        pre = "[ERROR]";
        break;
    case FATAL:
        pre = "[FATAL]";
        break;
    case DEBUG:
        pre = "[DEBUG]";
        break;
    default:
        break;
    }

    // 打印时间和msg
    std::cout << pre + Timestamp::now().toString() << " : " << msg << std::endl;

我们观察到,Logger类继承了noncopyable这个类,其定义为:

cpp 复制代码
/**
 * noncopyable被继承后 派生类对象可正常构造和析构 但派生类对象无法进行拷贝构造和赋值构造
 **/
class noncopyable
{
public:
    noncopyable(const noncopyable &) = delete;
    noncopyable &operator=(const noncopyable &) = delete;
    // void operator=(const noncopyable &) = delete;    // muduo将返回值变为void 这其实无可厚非
protected:
    noncopyable() = default;
    ~noncopyable() = default;
};

这里的构造函数和析构函数保持默认方式,并且为访问权限为protected;拷贝构造函数和赋值构造函数禁用,访问权限是public;

cpp 复制代码
class Logger : noncopyable
{
public:
    // 获取日志唯一的实例对象 单例
    static Logger &instance();
    // 设置日志级别
    void setLogLevel(int level);
    // 写日志
    void log(std::string msg);

private:
    int logLevel_;
};

随后Logger继承了noncopyable,c++默认是私有继承,则Logger的所有成员变量和方法都是私有的了;拷贝构造和赋值构造被禁止;类中存在获取实例的静态方法;满足单例模式的三大条件。

我们将Logger类的实现简化,去掉设置日志级别,以及打印的详细信息,精简为:

cpp 复制代码
class Logger
{
public:
    // 获取日志唯一的实例对象 单例
    static Logger& instance()
    {
        static Logger logger;
        return logger;
    }
    // 写日志
    void log(std::string msg)
    {
        std::cout << msg << std::endl;
    }
private:
    //默认构造和析构函数
    //赋值构造和拷贝构造被禁止
};

这种实现方式是静态局部变量的懒汉单例 ,这种方式在 C++11 下是线程安全的,推荐使用这种方式。

特点:

  • 静态局部变量只在当前函数内有效,其他函数无法访问。
  • 静态局部变量只在第一次被被调用时初始化,存储在静态存储区,生命周期从第一次被初始化到程序结束。

这里还有其他几种懒汉式单例线程安全的总结,请参考:
C++ 线程安全的单例模式总结

饿汉-单例模式

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

class Logger
{
public:
    
    static Logger& instance() {
        return logger;
    }
    // 写日志
    void log(std::string msg)
    {
        std::cout << __TIME__<<msg << std::endl;
    }
    static Logger logger;  // 静态成员变量,程序启动时就创建
private:
    //默认构造和析构函数
    //赋值构造和拷贝构造被禁止
};

// 定义并初始化静态成员(在全局作用域中)
Logger Logger::logger;

int main()
{
    Logger::instance().log("这是饿汉模式的测试");
    return 0;
}

饿汉模式天然线程安全:这是因为logger在程序加载阶段就会被初始化(静态初始化),不会涉及多个线程同时创建对象的问题。

总结:懒汉式是以时间换空间,适用于访问量较小时;饿汉式是以空间换时间,适用于访问量较大时,或者线程比较多的情况。

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