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设计模式(7)——单例模式(Singleton Pattern,创建型)

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恋喵大鲤鱼
发布2018-08-03 11:13:05
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发布2018-08-03 11:13:05
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文章被收录于专栏:C/C++基础C/C++基础

1.概述

使用设计模式可以提高代码的可复用性、可扩充性和可维护性。单例模式(Singleton Pattern),确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点。

有一些类对象我们只需要一个,比方说线程池(threadpool)、缓存(cache)、对话框、注册表(registry)、日志对象,充当打印机、显卡等设备的驱动程序的对象。此时,可以使用单例模式。

单例模式类图结构:

2.简单实现

单例模式可以直接用一个全局变量,但这样的代码不够优雅,而且不能保证只能创建一个对象,也就是说除了一个全局实例外,仍然可以创建多个类的实例。《设计模式》一书中给出了一种很不错的实现,定义一个单例类,使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例,并用一个公有静态方法获取该实例。即便如此,对具体实现的细节的不同处理,单例模式有多种不同的实现方式,多种写法各有利弊,下面请看C++单例模式。

(1)急切式

class Singleton {
private:
    Singleton(){}   //构造函数私有
    static Singleton pInstance;
public:
    static Singleton* getInstance(){
        return &pInstance;
    }
};
Singleton Singleton::pInstance;  //定义静态类对象

这种方式在进入main函数前就完成了类对象的定义,避免了多线程的同步问题,但是没有做到需要类对象时才定义,没有达到“懒惰实例化”的效果。

(2)懒惰式(线程不安全)

class Singleton{
private:
    Singleton(){}   //构造函数私有
    static Singleton* pInstance;
public:
    static Singleton* getInstance(){
        if (pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用  
            pInstance = new Singleton();
        return pInstance;
    }
};
Singleton* Singleton::pInstance=NULL;

这种方式延迟了类对象的实例化,在需要的时候再实例化。但上面因为没有线程同步操作,所以存在多线程不安全隐患,多个线程同时调用getInstance()时可能会创建多个类对象。

(3)懒惰式(线程安全)

HANDLE hMutex;
//使用互斥对象迁,先创建互斥对象  
hMutex = CreateMutex( NULL,         //默认安全级别  
                      FALSE,        //创建它的线程不拥有互斥对象  
                      NULL);        //没有名字
class Singleton{
private:
    Singleton(){}   //构造函数私有
    static Singleton* pInstance;
public:
    static Singleton* getInstance(){
        WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);  //上锁
        if (pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用  
            pInstance = new Singleton();
        ReleaseMutex(hMutex);   //解锁
        return pInstance;
    }
};
Singleton* Singleton::pInstance=NULL;

这种写法能够在多线程中很好的工作,但是每次调用getInstance方法时都需要进行同步,造成不必要的同步开销,而且只有第一次创建类对象时才需要同步,所以不建议用这种写法。

(4)双重检查加锁式(Double-checked Locking,DCL)

HANDLE hMutex;
hMutex = CreateMutex( NULL,FALSE,NULL);

class Singleton{
private:
    Singleton(){}   //构造函数私有
    static Singleton* pInstance;
public:
    static Singleton* getInstance(){
        if (pInstance == NULL){     //判断是否第一次调用  
            WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);  //上锁
            if (pInstance == NULL)  
                pInstance = new Singleton();
            ReleaseMutex(hMutex);   //解锁
        }
        return pInstance;
    }
};
Singleton* Singleton::pInstance=NULL;

这种写法在getInstance()方法中进行了两次判空,第一次为了不必要的同步,第二次是在pInstance等于NULL的情况下才创建实例,同步操作实际上只发生了一次,大大提高了效率。

(5)局部静态变量式

class Singleton{
private:
    Singleton(){}   //构造函数私有
public:
    static Singleton* getInstance(){
        static Singleton instance;
        return &instance;
    }
};

使用局部静态变量,非常巧妙的方法,完全实现了单例的特性,而且代码简洁优雅。

这里要注意一个问题,如果getInstance()函数返回的是类对象引用,会出现类拷贝的问题,这就违背了单例的特性。产生这个问题原因在于:编译器会为类生成一个默认的拷贝构造函数。例如下面的代码就会有问题:

Singleton singleton = Singleton::getInstance();//getInstance()返回对象引用

解决办法将默认拷贝构造函数申明为私有。

class Singleton{
private:
    Singleton(){}   //构造函数私有
    Singleton(const Singleton&)=delete; //禁止拷贝构造函数
public:
    static Singleton& getInstance(){
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
};

3.小结

(1)单例模式,确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点。 (2)在确保程序中某个类只有一个实例时,请采用单例模式,且推荐局部静态变量式写法。

有新的实现方法,会继续补充,欢迎网友留言指教!


参考文献

[1]C++中的单例模式 [2]设计模式(二)单例模式的七种写法 [3]Head First 设计模式(中文版)

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原始发表:2017年03月03日,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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  • 2.简单实现
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