C语言和设计模式-单例模式

2024-03-17 11:43:40

前面一次文章分享了C语言的面相对象编程思想（面相对象只是一种思想，不要拘泥于语言限制），忘记的同学可以再回顾一下

https://blog.csdn.net/mayi_xiaochaun/article/details/116034548?spm=1001.2014.3001.5501

有了前面的基础，本次用C语言实现一个最简单的设计模式——单例模式（也可以说他是一个编程技巧）。

1.单例模式定义：

确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个唯一的实例。

单例模式是一种对象创建型模式。

优点：

1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。

2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承

众所周知单例模式有两种经典的写法，快加载（恶汉试），懒加载（懒汉式）；

2. 快加载（只有在编译类时实例化对象）

2.1 C++实现

首先来看下单例模式的C++实现，一般这么写。

class SingleTon
{
public:
    static SingleTon* getInstance()
    {
        return &singleTon;
    }
private:
    SingleTon(){}
    static SingleTon singleTon;
};
SingleTon SingleTon::singleTon;

2.2 C语言实现

typedef struct _DATA
{
    void* pData;
}DATA; //DATA类

//静态sData变量存储在全局数据区
static DATA sData;  //编译时直接指定存储空间

void* get_data()
{
    return &sData;
}

3.懒加载（只有使用时才实例化对象）

3.1 C++实现：

class SingleTon
{
    public:
        static SingleTon* getInstance()
        {
            if(single == NULL)
            {
                single = new SingleTon();
            }
            return single;
        }
    private:
        Single(){}
        static SingleTon* single;
}
SingleTon * SingleTon::single = NULL;

单例模式的技巧就在于类的构造函数是一个私有的函数。但是类的构造函数又是必须创建的？怎么办呢？那就只有动用static函数了。我们看到static里面调用了构造函数，就是这么简单。

3.2 C语言实现

上面说了C++语言的编写方法，那C语言怎么写？其实也简单。大家也可以试一试。

typedef struct _DATA
{
    void* pData;
}DATA; //DATA类
 
void* get_data() /*调用时再申请内存空间存储*/
{
    static DATA* pData = NULL;
    
    if(NULL == pData)
    {
        pData = (DATA*)malloc(sizeof(DATA));
        assert(NULL != pData);
    }
    return (void*)pData;
}

4. static用法：

通过上面的两种例子，大家应该也get到了单例模式的精髓，static起了关键作用；

下面在温习下static用法：

4.1 内存数据分布结构

我们知道，一个进程在内存中的布局如图1所示：

其中.text段保存进程所执行的程序二进制文件，.data段保存进程所有的已初始化的全局变量，.bss段保存进程未初始化的全局变量（其他段中还有很多乱七八糟的段，暂且不表）。在进程的整个生命周期中，.data段和.bss段内的数据时跟整个进程同生共死的，也就是在进程结束之后这些数据才会寿终就寝。

4.2 静态全局变量

　　在全局变量之前加上关键字static，全局变量就被定义成为一个全局静态变量。

　　1）内存中的位置：存储在.data段（已初始化）或者.bss段（未初始化）内

　　2）初始化：未经初始化的全局静态变量会被程序自动初始化为0（自动对象的值是任意的，除非他被显示初始化）

　　3）作用域：全局静态变量在声明他的文件之外是不可见的。准确地讲从定义之处开始到文件结尾。

　　定义全局静态变量的好处：

　　<1>不会被其他文件所访问，修改

　　<2>其他文件中可以使用相同名字的变量，不会发生冲突。

4.3 静态局部变量

在局部变量之前加上关键字static，局部变量就被定义成为一个局部静态变量。

1）内存中的位置：静态局部变量被编译器放在全局存储区.data（注意：不在.bss段内，原因见下面初始化说明，所以它虽然是局部的，但是在程序的整个生命周期中存在。

2）初始化：未经初始化的局部静态变量会被程序自动初始化为0（自动对象的值是任意的，除非他被显示初始化）

3）作用域：作用域仍为局部作用域，当定义它的函数或者语句块结束的时候，作用域随之结束。

总结：

当static用来修饰局部变量的时候，它就改变了局部变量的存储位置，从原来的栈中存放改为静态存储区。但是局部静态变量在离开作用域之后，并没有被销毁，而是仍然驻留在内存当中，直到程序结束，只不过我们不能再对他进行访问。

　　当static用来修饰全局变量的时候，它就改变了全局变量的作用域（在声明他的文件之外是不可见的），但是没有改变它的存放位置，还是在静态存储区中。

1. 静态变量的初始化是在编译时进行，变量的赋值是在函数或程序运行时进行。
2. 静态变量只初始化一次，但可以通过赋值的方式多次修改静态变量的值。

3. 全局变量和静态变量在进入 main 前被初始化

5.ssl库的单例模式设计

void single_SSL_library_init(void)
{
    static int bFirst =1; /*函数是否为第一次执行*/
    pthread_mutex_lock(&gSSLInit);
    if(bFirst)
    {
        bFirst = 0;
        SSL_library_init();
    }
    pthread_mutex_unlock (&gSSLInit);
}

如果应用程序中有多个模块使用ssl库，并且多次初始化ssl库，会导致程序异常重启；

为了达到ssl库只被初始化一次的效果，接口设计中可以引入static局部变量，标识是否为第一次初始化；如果是第一次执行则进行初始化，如果不是第一执行则退出；

那么有的同学会有疑问，为什么static能达到这种效果？

我们上面4.3静态局部变量中说明过，静态局部变量被编译器放在全局存储区.data段，所以它虽然是局部的，但是在程序的整个生命周期中存在，只不过作用域只在函数内部；

首先先理解static局部变量只在编译时初始化；编译时局部变量bFirst被赋值并放在data段，程序运行时static int bFirst =1;代码不会再执行（相当于没有这句代码）；

然后，当第一个模块调用single_SSL_library_init时，bFirst为1会进入if判断执行ssl初始化，并且bFirst被置为0；第二个模块再次调用single_SSL_library_init时，发现bFirst已经为0了就直接返回了，因此第二个模块不会再次初始化ssl库；

通过上面的分析发现single_SSL_library_init接口的设计非常像单例模式中的懒加载模式。

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