【C++设计模式】之单例模式
一、什么是单例模式
单例模式是一种创建型设计模式，它的作用是确保一个类只有一个实例。这是设计模式中最简单的一种，也是面试时最容易被考到手写代码的一种设计模式。
二、单例模式的实现
一般情况下单例模式有三种实现方式，分别为懒汉版，饿汉版和线程安全下的懒汉版。我们分别来进行介绍和实现。
单例模式的实现可以总结成一句话：私有的构造函数+公有的静态成员
1. 懒汉版单例模式
何为懒汉版呢？
只有在需要使用对象的时候才去实例化单例对象。这种方式要考虑线程安全，在这里，这个简单的懒汉版先不考虑线程安全问题。
我把一些需要注意的点直接以注释的形式写在代码段中，方便观看。
懒汉单例模式代码实现
# include<iostream>
using namespace std;
//1. 懒汉版(线程不安全)
class Singleton
{
private:
//私有构造函数防止外部实例化
Singleton()
{
cout << "Singleton Constructor" << endl;
}
//禁止拷贝构造和重载赋值，以免拷贝构造生成多个实例
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
//私有的静态指针 --- 持有唯一实例，因为是静态，所以不属于任何一个类，所以确保了在所有对象间共享并保证只有一个
static Singleton* instance;
public:
//公有的静态成员函数 --- 获取单例模式实例的方法
static Singleton* Get_instance()
{
if (instance == nullptr)
{
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
void Show()
{
cout << "hello" << endl;
}
};
//静态成员变量只能在类外初始化
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
int main()
{
Singleton* p = nullptr;
Singleton* p1 = nullptr;
//公有的静态成员函数是获取单例模式的方法，只能用这种方式来实例化对象
p = Singleton::Get_instance();
p1 = Singleton::Get_instance();
p->Show();
p1->Show();
if (p1 == p)
{
cout << "相同实例" << endl;
}
else
{
cout << "不同实例" << endl;
}
}
我们可以从编译结果看出来，两次Get但是只构造了一次，说明只有一个实例。
2. 饿汉单例模式
何为饿汉模式？
它在程序运行的那一刻就创建了实例，这本身就是一种线程安全的版本。
但是只要程序运行它就实例化，意味着我们如果用不到这个实例，我们还是创建了实例，这样就造成了资源的浪费。
饿汉单例模式代码实现
# include<iostream>
using namespace std;
//饿汉版 -- 线程安全版本
class Singleton
{
private:
Singleton()
{
cout << "饿汉单例构造函数" << endl;
}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
static Singleton* instance;
public:
static Singleton* Get_instance()
//instance不可能为空了，因为饿汉版本直接就在开始就已经实例化了
{
return instance;
}
void Show()
{
cout << "Hello World" << endl;
}
};
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
int main()
{
Singleton* p1 = Singleton::Get_instance();
Singleton* p2 = Singleton::Get_instance();
p1->Show();
p2->Show();
if (p1 == p2)
{
cout << "相同实例" << endl;
}
else
{
cout << "不同实例" << endl;
}
}
从编译结果我们能得出两次想要实例化，但是只有一个实例。
饿汉版和懒汉版代码看上去极为相似，它们的区别在于饿汉在类外初始化静态成员变量的时候直接创建实例，并且在公有的静态成员函数(Get_instance)的时候只返回已经实例了的instance。
3. 线程安全的懒汉单例模式
何为线程安全的懒汉模式？
在创建实例的函数中加锁，加锁再做一次判定，防止在多线程创建的时候多个线程都判定没有创建好实例，然后同时创建了实例。
线程安全的懒汉模式代码实现
# include<iostream>
# include<thread>
# include<mutex>
using namespace std;
class Singleton
{
private:
Singleton()
{
cout << "懒汉线程安全 构造函数" << endl;
}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
static Singleton* instance;
//静态互斥锁，用于线程安全
static mutex mtx;
public:
static Singleton* Get_instance()
{
if (instance == nullptr)
{
//加锁再做一次判定，防止在多线程创建的时候多个线程都判定没有创建好实例，然后同时创建了实例
lock_guard<mutex> lock(mtx);//加锁
if (instance == nullptr)
{
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
mutex Singleton::mtx;
void CreateInstance()
{
Singleton* p = nullptr;
p = Singleton::Get_instance();
cout << p << endl;
}
int main()
{
thread t1(CreateInstance);
thread t2(CreateInstance);
t1.join();
t2.join();
}
我们能从结果看出来，两个线程实例的地址相同，意味着还是单例模式。
注意：
线程安全的懒汉模式和线程不安全的懒汉模式的区别在于，线程安全的懒汉模式用到了互斥锁，并且这个锁是私有静态，而且在进行实例的时候进行了两次判断，加锁后进行判断确保了线程安全。
三、总结
- 单例模式确保一个类只有一个实例，并且有一个全局访问点。
- 它有三种实现模式，分别为懒汉模式，饿汉模式和线程安全的懒汉模式。
- 实现单例模式可以总结成一句话：私有的构造函数和公有的静态全局函数。
- 在声明单例类的时候，定义为私有的有：构造函数，禁止拷贝构造和赋值重载，静态指针（保存唯一实例）。声明为公有的有：静态的全局函数（获取唯一的实例的方法）。