设计模式之单例模式(C++)

作者：翟天保Steven
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一、单例模式是什么？

       单例模式是一种创建型的软件设计模式，在工程项目中非常常见。通过单例模式的设计，使得创建的类在当前进程中只有一个实例，并提供一个全局性的访问点，这样可以规避因频繁创建对象而导致的内存飙升情况。

       实现单例模式的三个要点：

1）私有化构造函数：这样外界就无法自由地创建类对象，进而阻止了多个实例的产生。

2）类定义中含有该类的唯一静态私有对象：静态变量存放在全局存储区，且是唯一的，供所有对象使用。

3）用公有的静态函数来获取该实例：提供了访问接口。

       单例模式一般分为懒汉式和饿汉式。

1）懒汉式：在使用类对象（单例实例）时才会去创建它，不然就懒得去搞。

2）饿汉式：单例实例在类装载时构建，有可能全局都没使用过，但它占用了空间，就像等着发救济粮的饿汉提前排好队等吃的一样。

二、懒汉式实现

2.1 懒汉基础实现

       最基本的懒汉实现方法。

//Singleton.h
/****************************************************/
#include <iostream>using namespace std;// 单例模式演示类
class Singleton
{
public:// 公有接口获取唯一实例static Singleton* getInstance(){// 若为空则创建if (instance == nullptr) {cout << "实例为空，开始创建。" << endl;instance = new Singleton();cout << "创建结束。" << endl;}else {cout << "已有实例，返回。" << endl;}return instance;}
private:// 私有构造函数Singleton(){cout << "构造函数启动。" << endl;};// 私有析构函数~Singleton(){cout << "析构函数启动。" << endl;};
private:// 静态私有对象static Singleton* instance;
};// 初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

//main.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include "Singleton.h"using namespace std;int main() 
{cout << "main开始" << endl;Singleton* s1 = Singleton::getInstance();Singleton* s2 = Singleton::getInstance();Singleton* s3 = Singleton::getInstance();cout << "main结束" << endl;return 0;
}

       执行代码，让我们看看结果。

       从结果中可以看出这样设计主要有两个问题，一个是线程安全，另一个是内存泄漏。

       线程安全是因为在多线程场景下，有可能出现多个线程同时进行new操作的情况，没通过加锁来限制。

       内存泄漏是因为使用了new在堆上分配了资源，那么在程序结束时，也应该进行delete，确保堆中数据释放。

       接下来，我们先解决线程安全问题，对懒汉式实现进行改进。

2.2 基于双重检测锁的懒汉实现

       通过双重检测锁，可以确保线程安全。

//Singleton.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include <mutex>using namespace std;// 单例模式演示类
class Singleton
{
public:// 公有接口获取唯一实例static Singleton* getInstance(){// 若为空则创建if (instance == nullptr) {// 加锁保证线程安全// 如果两个线程同时进行到这一步，一个线程继续向下执行时，另一个线程被堵塞// 等锁解除后，被堵塞的线程就会跳过下面的if了，因为此时实例已经构建完毕lock_guard<mutex> l(m_mutex);if (instance == nullptr) {cout << "实例为空，开始创建。" << endl;instance = new Singleton();cout << "地址为:" << instance << endl;cout << "创建结束。" << endl;}}else {cout << "已有实例，返回。" << endl;}return instance;}
private:// 私有构造函数Singleton(){cout << "构造函数启动。" << endl;};// 私有析构函数~Singleton(){cout << "析构函数启动。" << endl;};
private:// 静态私有对象static Singleton* instance;// 锁static mutex m_mutex;
};// 初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
mutex Singleton::m_mutex;

//main.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include "Singleton.h"using namespace std;int main() 
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {Singleton* s1 = Singleton::getInstance();});thread t2([] {Singleton* s2 = Singleton::getInstance();});t1.join();t2.join();Singleton* s3 = Singleton::getInstance();cout << "地址为:" << s3 << endl;cout << "main结束" << endl;return 0;
}

       执行代码，让我们看看结果。

       这样看来没有问题，那如果取消双重检测锁，在多线程下看看会发生什么。将代码部分函数修改为下。把锁注释掉，再查看地址信息。

// 公有接口获取唯一实例
static Singleton* getInstance(){// 若为空则创建if (instance == nullptr) {// 加锁保证线程安全// 如果两个线程同时进行到这一步，一个线程继续向下执行时，另一个线程被堵塞// 等锁解除后，被堵塞的线程就会跳过下面的if了，因为此时实例已经构建完毕//lock_guard<mutex> l(m_mutex);if (instance == nullptr) {cout << "实例为空，开始创建。" << endl;instance = new Singleton();cout << "地址为:" << instance << endl;cout << "创建结束。" << endl;}}else {cout << "已有实例，返回。" << endl;}return instance;
}

       此时结果中可以看出，两个线程进行了两次new操作，但是最后只能捕捉到最后一次new的地址信息了，前面的那个丢失了。。。。。

       这个测试也是让大家直观地感受下双重检测锁的用处。

       接下来，我们再解决内存泄漏(资源释放)问题，对懒汉式实现进行进一步的改进。

2.3 基于双重检测锁和资源管理的懒汉实现

       在2.2的基础上，我们加入资源管理机制，以达到对资源的释放的目的，解决方法有两个：智能指针&静态嵌套类。

2.3.1 智能指针方案

       将实例指针更换为智能指针，另外智能指针在初始化时，还需要人为添加公有的毁灭函数，因为析构函数私有化了。

//Singleton.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include <mutex>using namespace std;// 单例模式演示类
class Singleton
{
public:// 公有接口获取唯一实例static shared_ptr<Singleton> getInstance(){// 若为空则创建if (instance == nullptr) {// 加锁保证线程安全// 如果两个线程同时进行到这一步，一个线程继续向下执行时，另一个线程被堵塞// 等锁解除后，被堵塞的线程就会跳过下面的if了，因为此时实例已经构建完毕lock_guard<mutex> l(m_mutex);if (instance == nullptr) {cout << "实例为空，开始创建。" << endl;instance.reset(new Singleton(), destoryInstance);cout << "地址为:" << instance << endl;cout << "创建结束。" << endl;}}else {cout << "已有实例，返回。" << endl;}return instance;}// 毁灭实例static void destoryInstance(Singleton* x) {cout << "自定义释放实例" << endl;delete x;}
private:// 私有构造函数Singleton(){cout << "构造函数启动。" << endl;};// 私有析构函数~Singleton(){cout << "析构函数启动。" << endl;};
private:// 静态私有对象static shared_ptr<Singleton> instance;// 锁static mutex m_mutex;
};// 初始化
shared_ptr<Singleton> Singleton::instance;
mutex Singleton::m_mutex;

//main.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include "Singleton.h"using namespace std;int main() 
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {shared_ptr<Singleton> s1 = Singleton::getInstance();});thread t2([] {shared_ptr<Singleton> s2 = Singleton::getInstance();});t1.join();t2.join();shared_ptr<Singleton> s3 = Singleton::getInstance();cout << "地址为:" << s3 << endl;cout << "main结束" << endl;return 0;
}

       应用智能指针后，在程序结束时，它自动进行资源的释放，解决了内存泄漏的问题。

2.3.2 静态嵌套类方案

       类中定义一个嵌套类，初始化该类的静态对象，当程序结束时，该对象进行析构的同时，将单例实例也删除了。

//Singleton.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include <mutex>using namespace std;// 单例模式演示类
class Singleton
{
public:// 公有接口获取唯一实例static Singleton* getInstance() {// 若为空则创建if (instance == nullptr) {// 加锁保证线程安全// 如果两个线程同时进行到这一步，一个线程继续向下执行时，另一个线程被堵塞// 等锁解除后，被堵塞的线程就会跳过下面的if了，因为此时实例已经构建完毕lock_guard<mutex> l(m_mutex);if (instance == nullptr) {cout << "实例为空，开始创建。" << endl;instance = new Singleton();cout << "地址为:" << instance << endl;cout << "创建结束。" << endl;}}else {cout << "已有实例，返回。" << endl;}return instance;}
private:// 私有构造函数Singleton() {cout << "构造函数启动。" << endl;};// 私有析构函数~Singleton() {cout << "析构函数启动。" << endl;};// 定义一个删除器class Deleter {public:Deleter() {};~Deleter() {if (instance != nullptr) {cout << "删除器启动。" << endl;delete instance;instance = nullptr;}}};// 删除器是嵌套类,当该静态对象销毁的时候，也会将单例实例销毁static Deleter m_deleter;
private:// 静态私有对象static Singleton* instance;// 锁static mutex m_mutex;
};// 初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
mutex Singleton::m_mutex;
Singleton::Deleter Singleton::m_deleter;

      main.h同2.2中的一致，结果如下，可以看出，当嵌套类Deleter对象销毁时，其析构函数执行的实例删除操作也完成了。

2.4 基于局部静态对象的懒汉实现

       C++11后，规定了局部静态对象在多线程场景下的初始化行为，只有在首次访问时才会创建实例，后续不再创建而是获取。若未创建成功，其他的线程在进行到这步时会自动等待。注意C++11前的版本不是这样的。

       因为有上述的改动，所以出现了一种更简洁方便优雅的实现方法，基于局部静态对象实现。

//Singleton.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include <mutex>using namespace std;// 单例模式演示类
class Singleton
{
public:// 公有接口获取唯一实例static Singleton& getInstance() {cout << "获取实例" << endl;static Singleton instance;cout << "地址为:" << &instance << endl;return instance;}
private:// 私有构造函数Singleton() {cout << "构造函数启动。" << endl;};// 私有析构函数~Singleton() {cout << "析构函数启动。" << endl;};
};

//main.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include "Singleton.h"using namespace std;int main()
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {Singleton &s1 = Singleton::getInstance();});thread t2([] {Singleton &s2 = Singleton::getInstance();});t1.join();t2.join();cout << "main结束" << endl;return 0;
}

       从结果中可以看出，构造函数启动了一次，另一个线程直接获取了地址。并且当程序结束时，进行了自动释放。

三、饿汉式实现

3.1 饿汉基础实现

       饿汉和懒汉的差别就在于，饿汉提前进行了创建，所以它的基础实现也不是很复杂，如下所示。

//Singleton.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include <mutex>using namespace std;// 单例模式演示类
class Singleton
{
public:// 公有接口获取唯一实例static Singleton* getInstance() {cout << "获取实例" << endl;cout << "地址为:" << instance << endl;return instance;}
private:// 私有构造函数Singleton() {cout << "构造函数启动。" << endl;};// 私有析构函数~Singleton() {cout << "析构函数启动。" << endl;};
private:// 静态私有对象static Singleton* instance;
};// 初始化
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();

//main.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include "Singleton.h"using namespace std;int main()
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {Singleton* s1 = Singleton::getInstance();});thread t2([] {Singleton* s2 = Singleton::getInstance();});t1.join();t2.join();cout << "main结束" << endl;return 0;
}

       输出结果中可知，main还没开始，实例就已经构建完毕，获取实例的函数也不需要进行判空操作，因此也就不用双重检测锁来保证线程安全了，它本身已经是线程安全状态了。

       但是内存泄漏的问题还是要解决的，这点同懒汉是一样的。

3.2 基于资源管理的饿汉实现

       内存泄漏解决方法有两个：智能指针&静态嵌套类。

3.2.1 智能指针方案

       将实例指针更换为智能指针，另外智能指针在初始化时，还需要人为添加公有的毁灭函数，因为析构函数私有化了。

//Singleton.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include <mutex>using namespace std;// 单例模式演示类
class Singleton
{
public:// 公有接口获取唯一实例static shared_ptr<Singleton> getInstance() {cout << "获取实例" << endl;cout << "地址为:" << instance << endl;return instance;}// 毁灭实例static void destoryInstance(Singleton* x) {cout << "自定义释放实例" << endl;delete x;}
private:// 私有构造函数Singleton() {cout << "构造函数启动。" << endl;};// 私有析构函数~Singleton() {cout << "析构函数启动。" << endl;};
private:// 静态私有对象static shared_ptr<Singleton> instance;
};// 初始化
shared_ptr<Singleton> Singleton::instance(new Singleton(), destoryInstance);

//main.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include "Singleton.h"using namespace std;int main()
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {shared_ptr<Singleton> s1 = Singleton::getInstance();});thread t2([] {shared_ptr<Singleton> s2 = Singleton::getInstance();});t1.join();t2.join();cout << "main结束" << endl;return 0;
}

       加入了智能指针后，不出意外地进行了自动的资源释放。

3.2.2 静态嵌套类方案

       类中定义一个嵌套类，初始化该类的静态对象，当程序结束时，该对象进行析构的同时，将单例实例也删除了。

//Singleton.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include <mutex>using namespace std;// 单例模式演示类
class Singleton
{
public:// 公有接口获取唯一实例static Singleton* getInstance() {cout << "获取实例" << endl;cout << "地址为:" << instance << endl;return instance;}
private:// 私有构造函数Singleton() {cout << "构造函数启动。" << endl;};// 私有析构函数~Singleton() {cout << "析构函数启动。" << endl;};// 定义一个删除器class Deleter {public:Deleter() {};~Deleter() {if (instance != nullptr) {cout << "删除器启动。" << endl;delete instance;instance = nullptr;}}};// 删除器是嵌套类,当该静态对象销毁的时候，也会将单例实例销毁static Deleter m_deleter;
private:// 静态私有对象static Singleton* instance;
};// 初始化
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
Singleton::Deleter Singleton::m_deleter;

//main.h
/****************************************************/
#include <iostream>
#include "Singleton.h"using namespace std;int main()
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {Singleton* s1 = Singleton::getInstance();});thread t2([] {Singleton* s2 = Singleton::getInstance();});t1.join();t2.join();cout << "main结束" << endl;return 0;
}

       同懒汉的一样，不多做阐述。

四、总结

       上述讲了这么多关于单例模式的内容，我尽可能地将测试的结果也同步展示了，目的就是帮助大家更好地理解。文中所有的代码都是完整的，可以直接复制到自己的项目中测试验证下。

       最后，如果说让我选择用什么样的实现，那我选择用局部静态对象的方法，代码简洁，线程安全，内存无泄漏，有什么理由说不呢？除非你是C++11之前的版本。。。。

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