单例模式 | C++ | Singleton模式

Singleton 模式

单例模式（Singleton Pattern）是 C++/Java等语言中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式实现了类只能创建唯一实例的功能。并且由该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式有三种经典的设计方案：

1. 延时加载，也称为懒汉模式 ，需要的时候才创建对象，也就是下面方法一用到的
2. 双重锁模式，需要的时候才创建对象,线程安全，懒汉模式升级版，也就是下面方法二用到的
3. 贪婪加载，也称为饿汉模式 ， 程序执行前就创建好对象，也就是下面方法三用到的
4. 测试，简单测试。

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  解法一:只适用于单线程环境

  由于要求只能生成一个实例,因此我们必须把构造函数设为私有函数以禁止他人创建实例。我们可以定义一个静态的实例,在需要的时候创建该实例。下面定义类型Singletonl就是基于这个思路的实现；

class SingleTon
{
public:
	static SingleTon* getInstance()
	{
		if (instance== NULL)
		{
			instance= new SingleTon();	//堆区申请对象
		}

		return instance;
	}
private:
	SingleTon(){}			//隐藏构造函数接口
	SingleTon(const SingleTon&);//拷贝构造函数
	static SingleTon* instance;	//静态指针可以不依赖对象调用，保存唯一实例地址
};
SingleTon* SingleTon::instance= NULL;

  上述代码在Singleton的静态属性Instance中,只有在instance为null的时候才创建一个实例以避免重复创建。同时我们把构造函数定义为私有函数,这样就能确保只创建一个实例。

  注意：只适用于单线程环境，在多线程中，如果一个现成在刚完成if (instance== NULL)这段代码时，还没有来的及创建对象时，另一个线程也执行到这个阶段，如此一来，程序就会出现问题，也不满足我们单例模式的目的。

  加同步锁：if (instance== NULL)这段语句前后加锁，实现每次只能有一个线程访问

  通常在解决线程安全类问题常用的方法就是加锁，限制对临界区的访问。下面这段代码虽然解决线程安全问题，但程序的效率却低了不少。

class SingleTon
{
public:
	static SingleTon* getInstance()
	{
		lock();	//加锁 	注：并未具体实现此函数，这里仅仅做演示
		if (instance== NULL)
		{
			instance= new SingleTon();	//堆区申请对象
		}
		unlock(); //解锁
		
		return instance;
	}
private:
	SingleTon(){}			//隐藏构造函数接口
	SingleTon(const SingleTon&);//拷贝构造函数
	static SingleTon* instance;	//静态指针可以不依赖对象调用，保存唯一实例地址
};
SingleTon* SingleTon::instance= NULL;

  加锁解锁机制： 线程A在执行到lock()时，如果发现无法加锁，即有别的线程B正在使用(加锁)此临界资源，当A发现可以进行加锁操作时，即B已经执行完成并进行了解锁操作，此时A再加锁（防止别的线程执行），当A线程执行完遇到代码unlock()时进行解锁操作。
  但是，还有一个问题，当唯一的一个实例已经被创建出来后，后面的线程执行到此段代码时，无需再构建实例，但lock() unlock()会被反复执行，程序进行了许多不必要的开销，降低了效率。

难道真的鱼（线程安全）与熊掌（效率）不可兼得乎？

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方法二：双重锁模式

  双重锁模式：在加锁前再判断一次，是否需要执行以下内容。虽然叫双重锁，可并不是真正的加了两重锁哦，只是利用了一点技巧而已，可见，有时候只要多想一点点总会有办法的嘛。

class SingleTon
{
public:
	static SingleTon* getInstance()
	{
		if (instance== NULL)		//对象已经生成，无需加锁、解锁操作
		{
			lock();
			if (instance== NULL)
			{
				instance= new SingleTon();
			}
			unlock();
		}
		return instance;
	}
private:
	SingleTon(){}
	SingleTon(const SingleTon&);
	static SingleTon* instance;
};

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方法三：提前创建实例

由于静态变量在代码段存放，在程序刚被加载时就已经存在，因此可以利用这一特点重新设计程序，直接构造实例并让静态的指针instance接收。

class SingleTon
{
public:
	static SingleTon* getInstance()
	{
		return instance;
	}
private:
	SingleTon(){}
	SingleTon(const SingleTon&);
	static SingleTon* instance;
};
SingleTon* SingleTon::instance= new SingleTon();

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测试：

Person类，属性有mname mage msex

class Person
{
public:
	static Person* getInstance(char* name, int age, bool sex)
	{
		if (pm == NULL)
		{
			pm = new Person(name, age, sex);
		}
		return pm;
	}
	~Person()
	{
		delete[] mname;
		mname = NULL;
	}
private:
	Person(char* name, int age, bool sex)
	{
		mname = new char[strlen(name) + 1]();
		strcpy_s(mname, strlen(name) + 1, name);
		mage = age;
		msex = sex;
	}
	char* mname;
	int mage;
	bool msex;
	static Person* pm;
};
Person* Person::pm = NULL;

int main()
{
	char name[] = "zhangsan";
	Person* p1 = Person::getInstance(name, 25, true);
	Person* p2 = Person::getInstance(name, 25, true);
	Person* p3 = Person::getInstance(name, 25, true);
	Person* p4 = Person::getInstance(name, 25, true);
	return 0;
}

运行结果：

可以看到运行结果中，不论getInstance方法调用多少次，始终只有一个实例产生。

欢迎大家评论留言，互相学习。有不对的地方请帮忙指出，谢谢。