單例模式簡介

什么是設計模式

設計模式代表了最佳實踐，是軟件開發過程中面臨一般問題的解決方案。

設計模式是一套被反復使用、經過分類、代碼設計總結的經驗。

單例模式

單例模式也叫單件模式。Singleton是一個非常常用的設計模式，幾乎所有稍微大一些的程序都會使用到它，所以構建一個線程安全并且高效的Singleton很重要。

1. 單例類保證全局只有一個唯一實例對象。

2. 單例類提供獲取這個唯一實例的接口。

怎樣設計一個單例模式

實現一（不考慮線程安全）

class Singleton
{
public:
// 獲取唯一對象實例的接口函數
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if(_sInstance == NUL)
		{
			if (_sInstance == NULL)
			{
				_sInstance = new Singleton();
			}
		}
		return _sInstance;
	}
// 刪除實例對象
	static void DelInstance()
	{
		if (_sInstance)
		{
			delete _sInstance;
			_sInstance = NULL;
		}
	}
	void Print()
	{
		cout<<_data<<endl;
	}
private:
	// 構造函數定義為私有，限制只能在類內創建對象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	// 指向實例的指針定義為靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
	static Singleton* _sInstance;
	// 單例類里面的數據
	int _data;
};
Singleton* Singleton::_sInstance = NULL;

void TestSingleton()
{
	Singleton::GetInstance()->Print();
	Singleton::DelInstance();
}

實現二

線程安全的單例 -- （懶漢模式-- lazy loading）

ps: 下面部分的加鎖使用了C++11庫的互斥鎖
class Singleton
{
public:
	// 獲取唯一對象實例的接口函數
	static Singleton* GetInstance()
	{
	// 使用雙重檢查，提高效率，避免高并發場景下每次獲取實例對象都進行加鎖
		if (_sInstance == NULL)
		{
			std::lock_guard<std::mutex> lck(_mtx);
			if (_sInstance == NULL)
			{
				// tmp = new Singleton()分為以下三個部分
				// 1.分配空間 2.調用構造函數 3.賦值
				// 編譯器編譯優化可能會把2和3進行指令重排，這樣可能會導致
				// 高并發場景下，其他線程獲取到未調用構造函數初始化的對象
				// 以下加入內存柵欄進行處理，防止編譯器重排柵欄后面的賦值
				// 到內存柵欄之前
				Singleton* tmp = new Singleton();
				MemoryBarrier();
				_sInstance = tmp;
			}
		}
		return _sInstance;
	}
	// 刪除實例對象
	static void DelInstance()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lck(_mtx);
		if (_sInstance)
		{
			delete _sInstance;
			_sInstance = NULL;
		}
	}
	void Print()
	{
	cout<<_data<<endl;
	}
private:
	// 構造函數定義為私有，限制只能在類內創建對象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	// 指向實例的指針定義為靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
	static Singleton* _sInstance;
	// 保證線程安全的互斥鎖
	static mutex _mtx;
	// 單例類里面的數據
	int _data;
};
Singleton* Singleton::_sInstance = NULL;
mutex Singleton::_mtx;

void TestSingleton()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
Singleton::DelInstance();
}

實現三

線程安全的單例 -- （餓漢模式--簡潔、高效、不用加鎖、但是在某些場景下會有缺陷）

方法1

// 方式一
class Singleton
{
public:
	// 獲取唯一對象實例的接口函數
	static Singleton* GetInstance()
	{
		static Singleton sInstance;
		return &sInstance;
	}
	void Print()
	{
		cout<<_data<<endl;
	}
private:
	// 構造函數定義為私有，限制只能在類內創建對象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	// 單例類里面的數據
	int _data;
};

void TestSingleton()
{
	Singleton::GetInstance()->Print();
}

方法2

// 方式二
class Singleton
{
public:
	// 獲取唯一對象實例的接口函數
	static Singleton* GetInstance()
	{
		assert(_sInstance);
		return _sInstance;
	}
	// 刪除實例對象
	static void DelInstance()
	{
		if (_sInstance)
		{
			delete _sInstance;
			_sInstance = NULL;
		}
	}
	void Print()
	{
		cout << _data << endl;
	}
private:
	// 構造函數定義為私有，限制只能在類內創建對象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	// 指向實例的指針定義為靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
	static Singleton* _sInstance;
	// 單例類里面的數據
	int _data;
};
Singleton* Singleton::_sInstance = new Singleton;

void TestSingleton()
{
	Singleton::GetInstance()->Print();
	Singleton::DelInstance();
}

帶RAII GC 自動回收實例對象的方式

class Singleton
{
public:
	// 獲取唯一對象實例的接口函數
	static Singleton* GetInstance()
	{
		assert(_sInstance);
		return _sInstance;
	}
	// 刪除實例對象
	static void DelInstance()
	{
		if (_sInstance)
		{
			delete _sInstance;
			_sInstance = NULL;
		}
	}
	void Print()
	{
		cout << _data << endl;
	}
	class GC
	{
		public:
		~GC()
		{
			cout << "DelInstance()"<<endl;
			DelInstance();
		}
	};
private:
	// 構造函數定義為私有，限制只能在類內創建對象
	Singleton()
	:_data(0)
	{}
	// 指向實例的指針定義為靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
	static Singleton* _sInstance;
	// 單例類里面的數據
	int _data;
};
// 靜態對象在main函數之前初始化，這時只有主線程運行，所以是線程安全的。
Singleton* Singleton::_sInstance = new Singleton;
// 使用RAII，定義全局的GC對象釋放對象實例
Singleton::GC gc;
void TestSingleton()
{
	Singleton::GetInstance()->Print();
}

由于程序在結束的時候，系統會自動析構所有的全局變量，實際上，系統也會析構所有類的靜態成員變量，就像這些靜態變量是全局變量一樣。我們知道，靜態變量和全局變量在內存中，都是存儲在靜態存儲區的，所以在析構時，是同等對待的。