创建型模式 | 单例模式

一、单例模式

单例模式(Singleton Pattern)，使用最广泛的设计模式之一。其意图是保证一个类仅有一个实例被构造，并提供一个访问它的全局访问接口，该实例被程序的所有模块共享。

1、饿汉式

1.1、基础版本

在程序启动后立刻构造单例，饿汉式实现一个单例类步骤如下：

• 定义一个单例类
• 私有化构造函数，防止外界直接创建单例类的对象
• 禁用拷贝构造，移动赋值等函数，可以私有化，也可以直接使用=delete
• 使用一个公有的静态方法获取该实例
• 确保在第一次调用之前该实例被构造

代码实现

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;// 单例类
class Singleton {
protected:Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };static Singleton *m_pInst;public:Singleton(const Singleton &) = delete;Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }static Singleton* GetInstance() {return m_pInst;}
};Singleton *Singleton::m_pInst = new Singleton;int main()
{Singleton *pInst1 = Singleton::GetInstance();Singleton *pInst2 = Singleton::GetInstance();cout << "pInst1 : " << pInst1 << endl;cout << "pInst2 : " << pInst2 << endl;return 0;
}

输出结果

Singleton: call Constructor
pInst1 : 0xf71760
pInst2 : 0xf71760Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.203 s
Press any key to continue.

从输出结果可以看出来，在执行main函数之前，单例类对象已经被创建出来。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。

1.2、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。

1.2.1、智能指针解决方案

将实例指针更换为智能指针，另外智能指针在初始化时，还需要添加公有的销毁函数，因为析构函数私有化了。

#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <memory>
#include <thread>
using namespace std;// 单例类
class Singleton {
protected:Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };static shared_ptr<Singleton> instance;private:Singleton(const Singleton &) = delete;Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }public:// 自定义销毁实例方法static void DestoryInstance(Singleton* x) {delete x;}static shared_ptr<Singleton> GetInstance() {return instance;}
};// 初始化
shared_ptr<Singleton> Singleton::instance(new Singleton(), DestoryInstance);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;
}

输出结果

Singleton: call Constructor
main开始
main结束
Singleton: call DestructorProcess returned 0 (0x0)   execution time : 0.116 s
Press any key to continue.

从输出结果可以看出来实例内存在程序运行结束后被正常释放。

1.2.2、静态嵌套类解决方案

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。

#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <memory>
#include <thread>
using namespace std;// 单例类
class Singleton {// 定义一个删除器（嵌套类）class Deleter {public:Deleter() {};~Deleter() {if (m_pInst != nullptr) {cout << "删除器启动" << endl;delete m_pInst;m_pInst = nullptr;}}};protected:Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };static Deleter m_deleter;static Singleton* m_pInst;private:Singleton(const Singleton &) = delete;Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }public:static Singleton* GetInstance() {return m_pInst;}
};Singleton *Singleton::m_pInst = new Singleton;
Singleton::Deleter Singleton::m_deleter;int main()
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {Singleton *pInst1 = Singleton::GetInstance();});thread t2([] {Singleton *pInst2 = Singleton::GetInstance();});t1.join();t2.join();cout << "main结束" << endl;return 0;
}

输出结果

Singleton: call Constructor
main开始
main结束
删除器启动
Singleton: call DestructorProcess returned 0 (0x0)   execution time : 0.254 s
Press any key to continue.

从输出结果可以看出来单例类对象在程序运行结束时正常被释放。

2、懒汉式

2.1、基础版本

在使用类对象（单例实例）时才会去创建，实现如下：

#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <memory>
#include <thread>
using namespace std;// 单例类
class Singleton
{
public:static Singleton* GetInstance() {if (m_pInst == nullptr) {m_pInst = new Singleton;}return m_pInst;}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:static Singleton* m_pInst;
};// 初始化
Singleton* Singleton::m_pInst = nullptr;int main()
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {Singleton *pInst1 = Singleton::GetInstance();});thread t2([] {Singleton *pInst2 = Singleton::GetInstance();});t1.join();t2.join();cout << "main结束" << endl;return 0;
}

上面的懒汉式存在两方面问题，一是：多线程场景存在并发问题；二是：创建的单例对象在使用完成后不会被释放存在资源泄露问题。

2.2、双重检查

使用双重检查解决多线程并发问题，核心代码如下：

static Singleton* GetInstance() {if (m_pInst == nullptr) {// 双重检查lock_guard<mutex> l(m_mutex);if (m_pInst == nullptr) {m_pInst = new Singleton();}}return m_pInst;
}

双重检查能解决多线程并发问题，同时效率也比单检查要高，调用GetInstance时只有当单例对象没有被创建时才会加锁，下面是单检查的实现，通过对比即可发现双检查的优点，如下：

static Singleton* GetInstance() {lock_guard<mutex> l(m_mutex);if (m_pInst == nullptr) {m_pInst = new Singleton();}return m_pInst;
}

2.3、基于静态局部对象的实现

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，如下：

#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <memory>
#include <thread>
using namespace std;// 单例类
class Singleton
{
public:static Singleton* GetInstance() {static Singleton instance;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; };
};int main()
{cout << "main开始" << endl;thread t1([] {Singleton *pInst1 = Singleton::GetInstance();});thread t2([] {Singleton *pInst2 = Singleton::GetInstance();});t1.join();t2.join();cout << "main结束" << endl;return 0;
}