单例模式

2024-04-12 23:26:26

什么是单例模式？
单例模式指在整个系统生命周期里，保证一个类只能产生一个实例，确保该类的唯一性。

单例模式分类
单例模式可以分为懒汉式和饿汉式，两者之间的区别在于创建实例的时间不同：

懒汉式：指系统运行中，实例并不存在，只有当需要使用该实例时，才会去创建并使用实例。（这种方式要考虑线程安全）
饿汉式：指系统一运行，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，没有多线程的问题）
单例类特点
构造函数和析构函数为private类型，目的禁止外部构造和析构
拷贝构造和赋值构造函数为private类型，目的是禁止外部拷贝和赋值，确保实例的唯一性
类里有个获取实例的静态函数，可以全局访问
01 普通懒汉式单例（线程不安全）
/// 普通懒汉式实现 – 线程不安全 //
#include // std::cout
#include // std::mutex
#include <pthread.h> // pthread_create

class SingleInstance
{

public:
// 获取单例对象
static SingleInstance *GetInstance();

// 释放单例，进程退出时调用
static void deleteInstance();

// 打印单例地址
void Print();

private:
// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构
SingleInstance();
~SingleInstance();

// 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值
SingleInstance(const SingleInstance &signal);
const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);

private:
// 唯一单例对象指针
static SingleInstance *m_SingleInstance;
};

//初始化静态成员变量
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;

SingleInstance* SingleInstance::GetInstance()
{

if (m_SingleInstance == NULL)
{
	m_SingleInstance = new (std::nothrow) SingleInstance;  // 没有加锁是线程不安全的，当线程并发时会创建多个实例
}

return m_SingleInstance;

}

void SingleInstance::deleteInstance()
{
if (m_SingleInstance)
{
delete m_SingleInstance;
m_SingleInstance = NULL;
}
}

void SingleInstance::Print()
{
std::cout << “我的实例内存地址是:” << this << std::endl;
}

SingleInstance::SingleInstance()
{
std::cout << “构造函数” << std::endl;
}

SingleInstance::~SingleInstance()
{
std::cout << “析构函数” << std::endl;
}
/// 普通懒汉式实现 – 线程不安全 //

// 线程函数
void *PrintHello(void *threadid)
{
// 主线程与子线程分离，两者相互不干涉，子线程结束同时子线程的资源自动回收
pthread_detach(pthread_self());

// 对传入的参数进行强制类型转换，由无类型指针变为整形数指针，然后再读取
int tid = *((int *)threadid);

std::cout << "Hi, 我是线程 ID:[" << tid << "]" << std::endl;

// 打印实例地址
SingleInstance::GetInstance()->Print();

pthread_exit(NULL);

}

#define NUM_THREADS 5 // 线程个数

int main(void)
{
pthread_t threads[NUM_THREADS] = {0};
int indexes[NUM_THREADS] = {0}; // 用数组来保存i的值

int ret = 0;
int i = 0;

std::cout << "main() : 开始 ... " << std::endl;

for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++)
{
    std::cout << "main() : 创建线程:[" << i << "]" << std::endl;
    
	indexes[i] = i; //先保存i的值
	
    // 传入的时候必须强制转换为void* 类型，即无类型指针
    ret = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)&(indexes[i]));
    if (ret)
    {
        std::cout << "Error:无法创建线程," << ret << std::endl;
        exit(-1);
    }
}

// 手动释放单实例的资源
SingleInstance::deleteInstance();
std::cout << "main() : 结束! " << std::endl;

return 0;

}
普通懒汉式单例运行结果：

从运行结果可知，单例构造函数创建了两个，内存地址分别为0x7f3c980008c0和0x7f3c900008c0，所以普通懒汉式单例只适合单进程不适合多线程，因为是线程不安全的。

02 加锁的懒汉式单例（线程安全）
/// 加锁的懒汉式实现 //
class SingleInstance
{

public:
// 获取单实例对象
static SingleInstance *&GetInstance();

//释放单实例，进程退出时调用
static void deleteInstance();

// 打印实例地址
void Print();

private:
// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构
SingleInstance();
~SingleInstance();

// 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值
SingleInstance(const SingleInstance &signal);
const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);

private:
// 唯一单实例对象指针
static SingleInstance *m_SingleInstance;
static std::mutex m_Mutex;
};

//初始化静态成员变量
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;
std::mutex SingleInstance::m_Mutex;

SingleInstance *&SingleInstance::GetInstance()
{

//  这里使用了两个 if判断语句的技术称为双检锁；好处是，只有判断指针为空的时候才加锁，
//  避免每次调用 GetInstance的方法都加锁，锁的开销毕竟还是有点大的。
if (m_SingleInstance == NULL) 
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // 加锁
    if (m_SingleInstance == NULL)
    {
        m_SingleInstance = new (std::nothrow) SingleInstance;
    }
}

return m_SingleInstance;

}

void SingleInstance::deleteInstance()
{
std::unique_lockstd::mutex lock(m_Mutex); // 加锁
if (m_SingleInstance)
{
delete m_SingleInstance;
m_SingleInstance = NULL;
}
}

void SingleInstance::Print()
{
std::cout << “我的实例内存地址是:” << this << std::endl;
}

SingleInstance::SingleInstance()
{
std::cout << “构造函数” << std::endl;
}

SingleInstance::~SingleInstance()
{
std::cout << “析构函数” << std::endl;
}
/// 加锁的懒汉式实现 //
加锁的懒汉式单例的运行结果：

从运行结果可知，只创建了一个实例，内存地址是0x7f28b00008c0，所以加了互斥锁的普通懒汉式是线程安全的

03 内部静态变量的懒汉单例（C++11 线程安全）
/// 内部静态变量的懒汉实现 //
class Single
{

public:
// 获取单实例对象
static Single &GetInstance();

// 打印实例地址
void Print();

private:
// 禁止外部构造
Single();

// 禁止外部析构
~Single();

// 禁止外部复制构造
Single(const Single &signal);

// 禁止外部赋值操作
const Single &operator=(const Single &signal);

};

Single &Single::GetInstance()
{
// 局部静态特性的方式实现单实例
static Single signal;
return signal;
}

void Single::Print()
{
std::cout << “我的实例内存地址是:” << this << std::endl;
}

Single::Single()
{
std::cout << “构造函数” << std::endl;
}

Single::~Single()
{
std::cout << “析构函数” << std::endl;
}
/// 内部静态变量的懒汉实现 //
内部静态变量的懒汉单例的运行结果：

-std=c++0x编译是使用了C++11的特性，在C++11内部静态变量的方式里是线程安全的，只创建了一次实例，内存地址是0x6016e8，这个方式非常推荐，实现的代码最少！

[root@lincoding singleInstall]#g++ SingleInstance.cpp -o SingleInstance -lpthread -std=c++0x

04 饿汉式单例（本身就线程安全）
// 饿汉实现 /
class Singleton
{
public:
// 获取单实例
static Singleton* GetInstance();

// 释放单实例，进程退出时调用
static void deleteInstance();

// 打印实例地址
void Print();

private:
// 将其构造和析构成为私有的, 禁止外部构造和析构
Singleton();
~Singleton();

// 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值
Singleton(const Singleton &signal);
const Singleton &operator=(const Singleton &signal);

private:
// 唯一单实例对象指针
static Singleton *g_pSingleton;
};

// 代码一运行就初始化创建实例，本身就线程安全
Singleton* Singleton::g_pSingleton = new (std::nothrow) Singleton;

Singleton* Singleton::GetInstance()
{
return g_pSingleton;
}

void Singleton::deleteInstance()
{
if (g_pSingleton)
{
delete g_pSingleton;
g_pSingleton = NULL;
}
}

void Singleton::Print()
{
std::cout << “我的实例内存地址是:” << this << std::endl;
}

Singleton::Singleton()
{
std::cout << “构造函数” << std::endl;
}

Singleton::~Singleton()
{
std::cout << “析构函数” << std::endl;
}
// 饿汉实现 /
饿汉式单例的运行结果：

从运行结果可知，饿汉式在程序一开始就构造函数初始化了，所以本身就线程安全的

特点与选择
懒汉式是以时间换空间，适应于访问量较小时；推荐使用内部静态变量的懒汉单例，代码量少
饿汉式是以空间换时间，适应于访问量较大时，或者线程比较多的的情况

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