单例模式详细讲解

一.定义

单例模式是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点

特点：

1.构造函数和析构函数私有化

2.禁用拷贝构造函数和赋值运算符重载（=delete）

3.利用静态成员函数和静态成员变量来给外界提供访问

二.恶汉式

恶汉是非常霸道的，由此可见，对于恶汉式，我们程序加载时立即创建单例实例（无论是否需要）

代码如下:

//恶汉式:
class Singleton 
{
public:
	//利用静态成员函数和静态成员变量来给外界提供访问
	static Singleton GetInstance()
	{
		return _instance;
	}	
	//禁用拷贝构造和赋值运算符
	Singleton(const Singleton&) =delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
priavte:
	//构造析构私有化：
	Singleton()
	{
	}
	~Singleton()
	{
	}
	static Singleton _instance;//定义一个对象 
};
//static类外实例化:
Singleton Singleton::_instance;

优点：

• 线程安全（C++11保证静态变量的线程安全初始化）

• 程序启动时就创建实例

• 简单直接

缺点：

• 本质是通过空间换来的，可能导致空间浪费

三.懒汉式

懒汉本质在于懒，说明只有当我们需要时才会创建单例对象，具有延迟实例化特点，通过调用GetInstance()函数来创建对象

优点;

按需创建对象，避免浪费空间

缺点：

基础实现是非线程安全的，需额外处理多线程问题

下面我们一一来讲解不同版本：

//懒汉式：
//初始版本--1
class Singleton
{
public：
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if(nullptr==_instance)
		{
			//创建对象
			_instance =new Singleton;
		}
		return _instance;
	}
	//禁用拷贝构造和赋值运算符
	Singleton(const Singleton&) =delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
priavte:
	//构造析构私有化：
	Singleton()
	{
	}
	~Singleton()
	{
	}
	static Singleton* _instance;//定义一个对象指针 
};
//类对象实例化： 
Singleton* Singleton::_instance=nullptr;

该版本问题如下：

该代码不是线程、进程安全的，具体是指如果多个线程同时调用到GetInstance中的if语句且都进入，就会new两个以上对象，无法确保只有一个类对象

解决方法：加锁

//懒汉式：
//初始版本--2
#include <mutex>
class Singleton
{
public：
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//单检测法： 
		_mutex.lock();
		if(nullptr==_instance)
		{
			//创建对象
			_instance =new Singleton;
		}
		_mutex.unlock();
		return _instance;
	}
	//禁用拷贝构造和赋值运算符
	Singleton(const Singleton&) =delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
priavte:
	//构造析构私有化：
	Singleton()
	{
	}
	~Singleton()
	{
	}
	static Singleton* _instance;//定义一个对象指针
	static std::mutex _mutex; 
};
//类对象实例化： 
Singleton* Singleton::_instance=nullptr;
std::mutex Singleton::_mutex;

上面我们利用C++中提供的锁解决了多线程问题，但是如果每次访问都要加锁，并且多线程访问只有一个能够进去，其他要等待，性能非常不好

下面我们来利用双检测法来解决问题：

//懒汉式：
//初始版本--3
#include <mutex>
class Singleton
{
public：
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//双检测法： 
		if(nullptr==_instance)
		{
			_mutex.lock();
			if(nullptr==_instance)
			{
				//创建对象 
				_instance =new Singleton;
			}
			_mutex.unlock();
		}
		return _instance;
	}
	//禁用拷贝构造和赋值运算符
	Singleton(const Singleton&) =delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
priavte:
	//构造析构私有化：
	Singleton()
	{
	}
	~Singleton()
	{
	}
	static Singleton* _instance;//定义一个对象指针
	static std::mutex _mutex; 
};
//类对象实例化： 
Singleton* Singleton::_instance=nullptr;
std::mutex Singleton::_mutex;

该双检测法并非是正确的双检测法，原因：如果CPU执行new的指令发生问题，即如果先返回对象指针，这样就会接受到一个nullptr的指针，出现问题

newCPU执行过程;

1.分配空间 malloc

2.调用构造函数 （类）

3.返回对象指针

下面我们来学习正确的双检测法;

//懒汉式：
//初始版本--4
#include <mutex>
#include <atmoic>
class Singleton
{
public：
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//双检测法： (正确写法）
		Singleton* tmp = _instance.load(std::memory_order_relaxed);//std::memory_order_relaxed---C++11 引入,最宽松的内存顺序约束，仅保证原子性，不提供线程间的同步或顺序保证
        std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); 
		if(nullptr==_instance)
		{
			_mutex.lock();
			tmp = _instance.load(std::memory_order_relaxed);
            if (tmp == nullptr) 
			{
                tmp = new Singleton();
                std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
                _instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
            }
			_mutex.unlock();
		}
		return tmp;
	}
	//禁用拷贝构造和赋值运算符
	Singleton(const Singleton&) =delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
priavte:
	//构造析构私有化：
	Singleton()
	{
	}
	~Singleton()
	{
	}
	static std::atomic<Singleton*> _instance;;//定义一个对象指针
	static std::mutex _mutex; 
};
//类对象实例化： 
std::atomic<Singleton*> Singleton::_instance(nullptr);
std::mutex Singleton::_mutex;

利用Atomic来保证原子性，保证双检测不会受到CPU执行指令顺序影响

优点：

线程安全，高性能（只有第一次需要加锁）

缺点：

实现复杂，需要注意内存屏障

最后，我们来学习发明单例模式的作者是如何写的:

//作者实现的： 
class Singleton 
{
public:
    static Singleton& getInstance() 
	{
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
    
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    
private:
    Singleton() {}
    ~Singleton() {}
};

特点;

线程安全（C++11保证局部静态变量的线程安全初始化）

延迟初始化

简洁高效

不需要考虑内存释放问题

**（**只能说不愧是大佬！！！）

其实我们也可以考虑下智能指针和call_once来实现，大家可以试试

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