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C++設(shè)計(jì)模式之單例模式詳解

更新時(shí)間：2021年09月29日 11:34:50 作者：dashuai的博客

這篇文章主要介紹了C++設(shè)計(jì)模式之單例模式,本文同時(shí)給出了數(shù)種單例模式的實(shí)現(xiàn)代碼,需要的朋友可以參考下，希望能夠給你帶來幫助

單例模式：就是只有一個(gè)實(shí)例。

singleton pattern單例模式：確保某一個(gè)類在程序運(yùn)行中只能生成一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)。這個(gè)類稱為單例類。如一個(gè)工程中，數(shù)據(jù)庫訪問對(duì)象只有一個(gè)，電腦的鼠標(biāo)只能連接一個(gè)，操作系統(tǒng)只能有一個(gè)窗口管理器等，這時(shí)可以考慮使用單例模式。

眾所周知，c++中，類對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，編譯系統(tǒng)為對(duì)象分配內(nèi)存空間，并自動(dòng)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，由構(gòu)造函數(shù)完成成員的初始化工作，也就是說使用構(gòu)造函數(shù)來初始化對(duì)象。

1、那么我們需要把構(gòu)造函數(shù)設(shè)置為私有的 private，這樣可以禁止別人使用構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建其他的實(shí)例。

2、又單例類要一直向系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例，那么，需要聲明它為靜態(tài)的實(shí)例成員，在需要的時(shí)候，才創(chuàng)建該實(shí)例。

3、且應(yīng)該把這個(gè)靜態(tài)成員設(shè)置為 null，在一個(gè)public 的方法里去判斷，只有在靜態(tài)實(shí)例成員為 null，也就是沒有被初始化的時(shí)候，才去初始化它，且只被初始化一次。

通常我們可以讓一個(gè)全局變量使得一個(gè)對(duì)象被訪問，但它不能阻止你實(shí)例化多個(gè)對(duì)象。如果采用全局或者靜態(tài)變量的方式，會(huì)影響封裝性，難以保證別的代碼不會(huì)對(duì)全局變量造成影響。

一個(gè)最好的辦法是，讓類自身負(fù)責(zé)保存它的唯一實(shí)例。這個(gè)類可以保證沒有其他實(shí)例可以被創(chuàng)建，并且它可以提供一個(gè)訪問該實(shí)例的方法，單例模式比全局對(duì)象好還包括，單例類可以繼承。

單例模式又分為兩種基本的情形：餓漢式和懶漢式

直接在靜態(tài)區(qū)初始化 instance，然后通過 get 方法返回，這樣這個(gè)類每次直接先生成一個(gè)對(duì)象，好像好久沒吃飯的餓漢子，急著吃飯一樣，急切的 new 對(duì)象，這叫做餓漢式單例類。或者是在 get 方法中才 new instance，然后返回這個(gè)對(duì)象，和懶漢字一樣，不主動(dòng)做事，需要調(diào)用 get 方法的時(shí)候，才 new 對(duì)象，這就叫做懶漢式單例類。

如下是懶漢式單例類

//單例模式示例
class Singleton
{
public:
    static Singleton * getInstance()
    {
        if (instance == NULL) {
            instance = new Singleton();
        }

        return instance;
    }

private:
    //私有的構(gòu)造函數(shù)，防止外人私自調(diào)用
    Singleton()
    {
        cout << "實(shí)例化了" << count << "個(gè)對(duì)象！" << endl;
        count++;
    }
    //聲明一個(gè)靜態(tài)實(shí)例，靜態(tài)函數(shù)只能使用靜態(tài)的數(shù)據(jù)成員。整個(gè)類中靜態(tài)成員只有一個(gè)實(shí)例，通常在實(shí)現(xiàn)源文件中被初始化。
    static Singleton *instance;
    //記錄實(shí)例化的對(duì)象
    int count = 1;
};

Singleton * Singleton::instance = NULL;

int main(void)
{
    Singleton::getInstance();
    Singleton::getInstance();
    Singleton::getInstance();
    Singleton::getInstance();

    return 0;
}

實(shí)例化了1個(gè)對(duì)象！

Program ended with exit code: 0

小結(jié)：

懶漢式單例模式是用時(shí)間換取控件，餓漢式單例模式，是用空間換取時(shí)間。

繼續(xù)分析，考慮多線程下的懶漢式單例模式

上述代碼在單線程的情況下，運(yùn)行正常，但是遇到了多線程就出問題，假設(shè)有兩個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行了這個(gè)單例類，同時(shí)運(yùn)行到了判斷 if 語句，并且當(dāng)時(shí)，instance 實(shí)例確實(shí)沒有被初始化呢，那么兩個(gè)線程都會(huì)去運(yùn)行并創(chuàng)建實(shí)例，此時(shí)就不滿足單例類的要求了。那么我們需要寫上線程同步的功能。

//考慮到多線程情形下的單例模式
class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        //聯(lián)系互斥信號(hào)量機(jī)制，給代碼加鎖
        lock();
        //判斷 null
        if (NULL == instance) {
            //判斷類沒有生成對(duì)象，才實(shí)例化對(duì)象，否則不再實(shí)例化
            instance = new Singleton();
        }
        //使用完畢，解鎖
        unlock();
        //返回一個(gè)實(shí)例化的對(duì)象
        return instance;
    }
private:
    //聲明對(duì)象計(jì)數(shù)器
    int count = 0;
    //聲明一個(gè)靜態(tài)的實(shí)例
    static Singleton *instance;
    //私有構(gòu)造函數(shù)
    Singleton(){
        count++;
        cout << "實(shí)例化了" << count << "個(gè)對(duì)象！" << endl;
    }
};
//初始化 instance
Singleton * Singleton::instance = NULL;

此時(shí)，還是有 ab 兩個(gè)線程來運(yùn)行這個(gè)單例類，由于在同一時(shí)刻，只有一個(gè)線程能拿到同步鎖（互斥信號(hào)量機(jī)制），a 拿到了同步鎖，b 只能等待，如果 a發(fā)現(xiàn)實(shí)例還沒創(chuàng)建，a 就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例，創(chuàng)建完畢，a 釋放同步鎖，然后 b 才能拿到同步鎖，繼續(xù)運(yùn)行接下來的代碼，b 發(fā)現(xiàn) a 線程運(yùn)行的時(shí)候，已經(jīng)生成了一個(gè)實(shí)例，b 線程就不會(huì)重復(fù)創(chuàng)建實(shí)例了，這樣就保證了我們?cè)诙嗑€程環(huán)境中只能得到一個(gè)實(shí)例。

繼續(xù)分析多線程下的懶漢式單例模式

代碼中，每次 get 方法中，得到 instance，都要判斷是否為空，且判斷是否為空之前，都要先加同步鎖，如果線程很多的時(shí)候，就要先等待加了同步鎖的線程運(yùn)行完畢，才能繼續(xù)判斷余下的線程，這樣就會(huì)造成大量線程的阻塞，且加鎖是個(gè)非常消耗時(shí)間的過程，應(yīng)該盡量避免（除非很有必要的時(shí)候）?？尚械霓k法是，雙重判斷方法。

因?yàn)?，只是在?shí)例還沒有創(chuàng)建的時(shí)候，需要加鎖判斷，保證每次只有一個(gè)線程創(chuàng)建實(shí)例，而當(dāng)實(shí)例已經(jīng)創(chuàng)建之后，其實(shí)就不需要加鎖操作了。

雙重判斷的線程安全的懶漢式單例模式

class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        //先判斷一次 null，只有 null 的時(shí)候需要加鎖，其他的時(shí)候，其實(shí)不需要加鎖
        if (NULL == instance) {
            //聯(lián)系互斥信號(hào)量機(jī)制，給代碼加鎖
            lock();
            //然后再次判斷 null
            if (NULL == instance) {
                //判斷類沒有生成對(duì)象，才實(shí)例化對(duì)象，否則不再實(shí)例化
                instance = new Singleton();
            }
            //使用完畢，解鎖
            unlock();
        }
                //返回一個(gè)實(shí)例化的對(duì)象
        return instance;
    }
private:
    //聲明對(duì)象計(jì)數(shù)器
    int count = 0;
    //聲明一個(gè)靜態(tài)的實(shí)例
    static Singleton *instance;
    //私有構(gòu)造函數(shù)
    Singleton(){
        count++;
        cout << "實(shí)例化了" << count << "個(gè)對(duì)象！" << endl;
    }
};
//初始化 instance
Singleton * Singleton::instance = NULL;

這樣的雙重檢測機(jī)制，提高了單例模式在多線程下的效率，因?yàn)檫@樣的代碼，只需要在第一次創(chuàng)建實(shí)例的時(shí)候，需要加鎖，其他的時(shí)候，線程無需排隊(duì)等待加鎖之后，再去判斷了，比較高效。

再看餓漢式的單例模式，之前看了懶漢式的單例類，是線程不安全的，通過加鎖（雙重鎖），實(shí)現(xiàn)線程安全

回憶餓漢式單例類：直接在靜態(tài)區(qū)初始化 instance，然后通過 get 方法返回，這樣這個(gè)類每次直接先生成一個(gè)對(duì)象，好像好久沒吃飯的餓漢子，急著吃飯一樣，急切的 new 對(duì)象，這叫做餓漢式單例類。

class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        //返回一個(gè)實(shí)例化的對(duì)象
        return instance;
    }
private:
    //聲明一個(gè)靜態(tài)的實(shí)例
    static Singleton *instance;
    //私有構(gòu)造函數(shù)
    Singleton(){

    }
};
//每次先直接實(shí)例化instance，get 方法直接返回這個(gè)實(shí)例
Singleton * Singleton::instance = new Singleton();

注意：靜態(tài)初始化實(shí)例可以保證線程安全，因?yàn)殪o態(tài)實(shí)例初始化在程序開始時(shí)進(jìn)入主函數(shù)之前，就由主線程以單線程方式完成了初始化！餓漢式的單例類，也就是靜態(tài)初始化實(shí)例保證其線程安全性，故在性能需求較高時(shí)，應(yīng)使用這種模式，避免頻繁的鎖爭奪。

繼續(xù)看單例模式

上面的單例模式?jīng)]有 destory() 方法，也就是說，貌似上面的單例類沒有主動(dòng)析構(gòu)這個(gè)唯一實(shí)例！然而這就導(dǎo)致了一個(gè)問題，在程序結(jié)束之后，該單例對(duì)象沒有delete，導(dǎo)致內(nèi)存泄露！下面是一些大神的方法：一個(gè)妥善的方法是讓這個(gè)類自己知道在合適的時(shí)候把自己刪除，或者說把刪除自己的操作掛在操作系統(tǒng)中的某個(gè)合適的點(diǎn)上，使其在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候被自動(dòng)執(zhí)行。

我們知道，程序在結(jié)束的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)析構(gòu)所有的全局變量。事實(shí)上，系統(tǒng)也會(huì)析構(gòu)所有的類的靜態(tài)成員變量，就像這些靜態(tài)成員也是全局變量一樣。如果在類的析構(gòu)行為中有必須的操作，比如關(guān)閉文件，釋放外部資源，那么上面的代碼無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。我們需要一種方法，正常的刪除該實(shí)例。利用這些特征，我們可以在單例類中定義一個(gè)這樣的靜態(tài)成員變量，而它的唯一工作就是在析構(gòu)函數(shù)中刪除單例類的實(shí)例。如下面的代碼中的Garbage類：

class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        //判斷單例否
        if (NULL == instance) {
            instance = new Singleton();
        }
        //返回一個(gè)實(shí)例化的對(duì)象
        return instance;
    }
    //c++ 嵌套的內(nèi)部類，作用是刪除單例類對(duì)象，Garbage被定義為Singleton的內(nèi)嵌類，以防該類被在其他地方濫用。
    class Garbage
    {
    public:
        ~Garbage(){
            if (Singleton::instance != NULL) {
                cout << "單例類的唯一實(shí)例被析構(gòu)了" << endl;
                delete Singleton::instance;
            }
        }
    };

private:
    //單例類中聲明一個(gè)觸發(fā)垃圾回收類的靜態(tài)成員變量，它的唯一工作就是在析構(gòu)函數(shù)中刪除單例類的實(shí)例，利用程序在結(jié)束時(shí)析構(gòu)全局變量的特性，選擇最終的釋放時(shí)機(jī)；
    static Garbage garbage;
    //聲明一個(gè)靜態(tài)的實(shí)例
    static Singleton *instance;
    //單例類的私有構(gòu)造函數(shù)
    Singleton(){
        cout << "調(diào)用了單例類的構(gòu)造函數(shù)" << endl;
    }
    //單例類的私有析構(gòu)函數(shù)
    ~Singleton(){
        cout << "調(diào)用了單例類的析構(gòu)函數(shù)" << endl;
    }
};
//初始化內(nèi)部的靜態(tài)變量，目睹是啟動(dòng)刪除的析構(gòu)函數(shù)，如果不初始化，就不會(huì)被析構(gòu)
//內(nèi)部類可以訪問外部類的私有成員，外部類不能訪問內(nèi)部類的私有成員！
Singleton::Garbage Singleton::garbage;
//初始化instance為 null
Singleton * Singleton::instance = NULL;

int main(void)
{
    Singleton *a = Singleton::getInstance();
    Singleton *b = Singleton::getInstance();
    Singleton *c = Singleton::getInstance();

    if (a == b) {
        cout << "a = b" << endl;
    }

    return 0;
}

調(diào)用了單例類的構(gòu)造函數(shù)

a = b

單例類的唯一實(shí)例被析構(gòu)了

調(diào)用了單例類的析構(gòu)函數(shù)

Program ended with exit code: 0

類Garbage被定義為Singleton的內(nèi)嵌類，以防該類在其他地方濫用，程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用Singleton的靜態(tài)成員garbage的析構(gòu)函數(shù)，該析構(gòu)函數(shù)會(huì)刪除單例的唯一實(shí)例，使用這種方法釋放單例對(duì)象有以下特征：

1、在單例類內(nèi)部定義專有的嵌套類；

2、在單例類內(nèi)定義私有的專門用于釋放的靜態(tài)成員；

3、利用程序在結(jié)束時(shí)析構(gòu)全局變量的特性，選擇最終的釋放時(shí)機(jī)；

4、使用單例的代碼不需要任何操作，不必關(guān)心對(duì)象的釋放。

其實(shí)，繼續(xù)想單例類的實(shí)現(xiàn)，有的人會(huì)這樣做：

在程序結(jié)束時(shí)調(diào)一個(gè)專門的方法，這個(gè)方法里判斷實(shí)例對(duì)象是否為 null，如果不為 null，就對(duì)返回的指針掉用delete操作。這樣做可以實(shí)現(xiàn)刪除單例的功能，但不僅很丑陋，而且容易出錯(cuò)。因?yàn)檫@樣的附加代碼很容易被忘記，而且也很難保證在delete之后，沒有代碼再調(diào)用GetInstance函數(shù)。不推薦直接的刪除方法。

繼續(xù)查看單例模式：單例模式在實(shí)際開發(fā)過程中是很有用的

單例模式的特征總結(jié)：

1、一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例

2、提供一個(gè)全局訪問點(diǎn)

3、禁止拷貝

逐個(gè)分析：

1、實(shí)現(xiàn)只有一個(gè)實(shí)例，需要做的事情：將構(gòu)造函數(shù)聲明為私有

2、提供一個(gè)全局訪問點(diǎn)，需要做的事情：類中創(chuàng)建靜態(tài)成員和靜態(tài)成員方法

3、禁止拷貝：把拷貝構(gòu)造函數(shù)聲明為私有，并且不提供實(shí)現(xiàn)，將賦值運(yùn)算符聲明為私有，防止對(duì)象的賦值

完整的單例類實(shí)現(xiàn)代碼如下：

class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        if (NULL == instance) {
            lock();
            //判斷單例否
            if (NULL == instance) {
                instance = new Singleton();
            }
            unlock();
        }
        //返回一個(gè)實(shí)例化的對(duì)象
        return instance;
    }
    //c++ 嵌套的內(nèi)部類，作用是刪除單例類對(duì)象，Garbage被定義為Singleton的私有內(nèi)嵌類，以防該類被在其他地方濫用。
    class Garbage
    {
    public:
        ~Garbage(){
            if (Singleton::instance != NULL) {
                cout << "單例類的唯一實(shí)例被析構(gòu)了" << endl;
                delete Singleton::instance;
            }
        }
    };
    
private:
    //單例類中定義一個(gè)這樣的靜態(tài)成員變量，而它的唯一工作就是在析構(gòu)函數(shù)中刪除單例類的實(shí)例，利用程序在結(jié)束時(shí)析構(gòu)全局變量的特性，選擇最終的釋放時(shí)機(jī)；
    static Garbage garbage;
    //聲明一個(gè)靜態(tài)的實(shí)例
    static Singleton *instance;
    //單例類的私有構(gòu)造函數(shù)
    Singleton(){
        cout << "調(diào)用了單例類的構(gòu)造函數(shù)" << endl;
    }
    //單例類的私有析構(gòu)函數(shù)
    ~Singleton(){
        cout << "調(diào)用了單例類的析構(gòu)函數(shù)" << endl;
    }
    //把拷貝構(gòu)造函數(shù)聲明為私有，就可以禁止外人拷貝對(duì)象，也不用實(shí)現(xiàn)它，聲明私有即可
    Singleton(const Singleton &copy);
    //把賦值運(yùn)算符重載為私有的，防止對(duì)象之間的賦值操作
    Singleton & operator=(const Singleton &other);
};
//初始化內(nèi)部似有淚的靜態(tài)變量，目睹是啟動(dòng)刪除的析構(gòu)函數(shù)，如果不初始化，就不會(huì)被析構(gòu)
//內(nèi)部類可以訪問外部類的私有成員，外部類不能訪問內(nèi)部類的私有成員！
Singleton::Garbage Singleton::garbage;
//初始化instance為 null
Singleton * Singleton::instance = NULL;

int main(void)
{
    Singleton *a = Singleton::getInstance();
    Singleton *b = Singleton::getInstance();
    Singleton *c = Singleton::getInstance();
    
    if (a == b) {
        cout << "a = b" << endl;
    }
    
    return 0;
}

單例類de測試，兩個(gè)方法：

1、實(shí)例化多個(gè)對(duì)象，看調(diào)用了幾次構(gòu)造函數(shù)，如果只調(diào)用一次，說明只創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例

2、單步跟蹤，查看對(duì)象的地址，是否一樣，一樣則為一個(gè)對(duì)象