設計模式學習（一）單例模式的幾種實現方式

来源:https://www.cnblogs.com/paw5zx/p/18081803
-Advertisement-
Play Games

目錄前言餓漢式懶漢式懶漢式DCLP局部靜態式（Meyers' Singleton）單例模板參考文章 前言 單例模式，其核心目標是確保在程式運行的過程中，有且只有存在一個實例才能保證他們的邏輯正確性以及良好的效率。因此單例模式的實現思路就是確保一個類有且只有一個實例，並提供一個該實例的全局訪問點。 單 ...


目錄

前言

單例模式，其核心目標是確保在程式運行的過程中，有且只有存在一個實例才能保證他們的邏輯正確性以及良好的效率。因此單例模式的實現思路就是確保一個類有且只有一個實例，並提供一個該實例的全局訪問點。
單例模式設計要點：

  • 私有構造、析構
  • 禁止賦值、拷貝
  • 靜態私有成員：全局唯一實例
  • 提供一個用於獲取全局唯一實例的介面，若實例不存在則創建。

除了上面提到的四點還要註意線程安全以及資源釋放的問題。

本文從最基本的懶漢式和餓漢式單例模式開始，循序漸進地討論單例模式形式的特點及變化過程

餓漢式

餓漢式單例模式的核心思路就是不管需不需要用到實例都要去創建實例。餓漢模式的實例在類產生時候就創建了，它的生存周期和程式一樣長。

對於餓漢模式而言，是線程安全的，因為線上程創建之前唯一的實例已經被創建好了。而且在程式的退出階段，類內唯一實例instance也會被銷毀，~CSingleton會被調用，資源可以正常被釋放。

//無延遲初始化
//多線程安全，資源自動釋放
class CSingleton
{
public:
    static CSingleton* getInstance();
private:
    CSingleton(){std::cout<<"創建了一個對象"<<std::endl;}
    ~CSingleton(){std::cout<<"銷毀了一個對象"<<std::endl;}
    CSingleton(const CSingleton&) 			 = delete;
    CSingleton& operator=(const CSingleton&) = delete;
    
    static CSingleton instance;  //將指針改為普通的變數
};
  
CSingleton CSingleton::instance;

CSingleton* CSingleton::getInstance()
{
    return &instance;
}
//測試代碼，後面不贅述
int main()
{
    std::cout << "Now we get the instance" << std::endl;
    std::thread t1([](){auto instance = CSingleton::getInstance();});
    std::thread t2([](){auto instance = CSingleton::getInstance();});
    std::thread t3([](){auto instance = CSingleton::getInstance();});

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    std::cout << "Now we destroy the instance" << std::endl;
    return 0;
}

測試結果：

餓漢式的缺點：

  • 在程式啟動時立即創建單例對象，若單例類中包含耗時的初始化操作時，會增加程式的啟動時間
  • 若有多個單例類分佈在不同編譯單元，且這些單例類間存在依賴關係，那麼在初始化時可能會有問題，因為C++標準不能保證不同編譯單元中靜態對象的初始化順序

懶漢式

與餓漢式單例模式相比，懶漢式的關鍵區別在於它延遲了單例實例的創建，即直到第一次被使用時才創建實例：

//延遲初始化
//多線程不安全，資源無法自動釋放
class CSingleton
{
public:
    static CSingleton* getInstance();

private:
    CSingleton(){std::cout<<"創建了一個對象"<<std::endl;}
    ~CSingleton(){std::cout<<"銷毀了一個對象"<<std::endl;}
    CSingleton(const CSingleton&) 			 = delete;
    CSingleton& operator=(const CSingleton&) = delete;
    
    static CSingleton* instance;  
};

CSingleton* CSingleton::instance; 
 
CSingleton* CSingleton::getInstance()
{
    if(nullptr == instance)
        instance = new CSingleton();
    return instance;
}

測試結果：

但是上述代碼有幾個缺點：

  • 線程安全問題：多線程環境下不安全，可能會有多個單例實例被創建，這違反了單例模式的原則。
  • 資源釋放問題：運行結束無法自動調用析構函數（因為單例對象建立在堆上，在程式結束時，指針變數被銷毀了，而它所指向的堆上的記憶體並沒有被銷毀），可能會導致資源泄漏。

為瞭解決線程安全的問題，下麵討論加鎖的懶漢式單例模式：

懶漢式DCLP

為了讓懶漢式做到線程安全，我們首先會想到加鎖：

class CSingleton
{
public:
    ...
    static std::mutex mtx;

private:
    ...
};

CSingleton* CSingleton::instance;
 
std::mutex CSingleton::mtx;
 
CSingleton* CSingleton::getInstance()
{
	mtx.lock();    
    if(nullptr == instance)
    {
        instance = new CSingleton();
    }
    mtx.unlock();    
    return instance;
}

但是要註意，加鎖和解鎖的操作是需要時間的，上述方法在多線程的情況下，每次調用都會浪費時間在上鎖和解鎖上，導致效率下降。其實我們真正需要的，只是在instance 初始化時上鎖保證線程安全，即只有getInstance()第一次被調用時上鎖才是必要的。若在程式中，getInstance()被調用了n次，那麼只有第一次調用鎖是起真正作用的，其餘n-1次做操作都是沒必要的。

所以要想改進上述問題，我們在加鎖之前先判個空，當判斷結果為真（即instance還沒有被初始化），才進行加鎖操作，然後再次檢查instance是否為空。

//雙檢查鎖模式DCLP
CSingleton* CSingleton::getInstance()
{
	if (nullptr == instance)
	{
		mtx.lock();   
	    if(nullptr == instance)
	    {
	        instance = new CSingleton();
	    }
	    mtx.unlock(); 
	}
    return instance;
}

第二次檢查必不可少，這是因為在第一次檢查instance 和加鎖之間，可能會有別的線程對instance 進行初始化。

測試結果：

但是遺憾的是，這種方法其實也不是線程安全的，具體原因可見：補充-指令重排

其實，使用了DCLP的懶漢式單例模式不但線程不安全，而且無法通過RAII機制調用析構函數釋放相關資源。具體原因可見：補充-單例模式析構

為瞭解決線程安全問題和資源釋放問題，Scott Meyers提出了局部靜態變數形式的單例模式。

局部靜態式（Meyers' Singleton）

這種形式的單例模式使用函數中的局部靜態變數來代替類中的靜態成員指針：

//延遲初始化
//多線程安全，資源自動釋放
class CSingleton
{
private:
    CSingleton() {std::cout << "創建了一個對象" << std::endl;}
    ~CSingleton() {std::cout << "銷毀了一個對象" << std::endl;}
    CSingleton(const CSingleton&)            = delete;
    CSingleton& operator=(const CSingleton&) = delete;
public:
    static CSingleton& getInstance() 
    {
        static CSingleton instance;
        return instance;
    }
};

//測試代碼
int main()
{
    std::cout << "Now we get the instance" << std::endl;
    std::thread t1([](){auto& instance = CSingleton::getInstance();});
    std::thread t2([](){auto& instance = CSingleton::getInstance();});
    std::thread t3([](){auto& instance = CSingleton::getInstance();});

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    std::cout << "Now we destroy the instance" << std::endl;
    return 0;
}

測試結果：

對於線程安全問題：在C++11及更高版本中，靜態局部變數的初始化是線程安全的。即當多個線程同時首次訪問局部靜態變數，編譯器可以保證其初始化代碼僅執行一次，防止了任何可能的競態條件或重覆初始化。

對於資源釋放問題：代碼中局部靜態變數instance的生命周期開始於第一次調用getInstance方法時，終止於程式結束時。在程式的退出階段局部靜態變數instance被銷毀，~CSingleton被調用，確保了資源的正確釋放。

單例模板

在大型項目中，如果有多個類都被設計為要具有單例行為，那麼為了方便這些類的創建，我們可以將單例屬性封裝為一個模板類，在需要時繼承這個模板基類，這樣這些子類就可以繼承它的單例屬性。

因為這種單例模式是基於靜態局部變數的，所以它是多線程安全的而且是可以正常進行資源釋放的：

template <typename T>
class CSingleton 
{
protected:
    CSingleton(){std::cout<<"創建了一個對象"<<std::endl;}
    ~CSingleton(){std::cout<<"銷毀了一個對象"<<std::endl;}
    CSingleton(const CSingleton&)            = delete;
    CSingleton& operator=(const CSingleton&) = delete;

public:
    static T& getInstance() 
    {
        static T instance;
        return instance;
    }
};

//使用模板
class MyClass : public CSingleton<MyClass>
{
    friend class CSingleton<MyClass>;
private:
    MyClass(){std::cout<<"this is MyClass construct"<<std::endl;}
    ~MyClass(){std::cout<<"this is MyClass destruct"<<std::endl;}
public:
    void dosomething()
    {
        std::cout<<"dosomething"<<std::endl;
    }
};

測試結果：

這種形式使用了奇異遞歸模板模式（Curiously Recurring Template Pattern, CRTP）。在使用時要註意，子類需要將自己作為模板參數傳遞給CSingleton模板進行模板類實例化，用做基類；同時需要將基類聲明為友元，這樣才能在通過CSingleton<T>::getInstance()方法創建MyClass唯一實例時，調用到MyClass的私有構造函數。

參考文章

1.C++ 單例模式


您的分享是我們最大的動力!

-Advertisement-
Play Games
更多相關文章
  • HarmonyOS 與 ArkTS | ForEach 迴圈渲染 + List 實現滑動視頻列表
    Android 輔助功能 -搶紅包(三) 本篇文章繼續講述輔助功能. 主要通過監聽通知欄紅包消息,來跳轉聊天頁面,並自動回覆對方"謝謝". 上篇文章我們講述了監聽notification, 跳轉聊天界面. 具體可查看: Android 輔助功能 -搶紅包(二) 1: 使用monitor抓取id. 打 ...
  • 一文搞懂：viewpoint與rem、百分比、px
    基礎與面試題：viewpoint 與 rem、百分比高度、px 一、定義 ​ 一個表總結： 名稱 定義 使用示例 viewpoint 是指用戶在網頁上實際可見和可交互的區域，通常指的是瀏覽器視窗或移動設備的屏幕尺寸。 width：100vw；height：100vh rem （root em）是相對 ...
  • 什麼是HTTP? HTTP 和 HTTPS 的區別?
    這裡給大家分享我在網上總結出來的一些知識，希望對大家有所幫助 一、HTTP HTTP (HyperText Transfer Protocol)，即超文本運輸協議，是實現網路通信的一種規範 在電腦和網路世界有，存在不同的協議，如廣播協議、定址協議、路由協議等等...... 而HTTP是一個傳輸協議 ...
  • 8.7K+ Star！快速搭建個人線上工具箱
    it-tools —— 一個為開發人員提供方便的線上工具集合的開源項目，包含了加密、轉換器、Web、開發、圖片和視頻等十幾種工具，功能齊全，部署方便。 ...
  • 【前端Vue】Vue3+Pinia小兔鮮電商項目第1篇：認識Vue3,1. Vue3組合式API體驗【附代碼文檔】
    所有主要的瀏覽器都內置了一個XML解析器，用於訪問和操作XML XML 解析器 在訪問XML文檔之前，必須將其載入到XML DOM對象中 所有現代瀏覽器都有一個內置的XML解析器，可以將文本轉換為XML DOM對象 解析文本字元串 以下示例將一個文本字元串解析為XML DOM對象，並使用JavaSc ...
  • Tailwind CSS 使用指南
    0x01 概述 （1）簡介 Tailwind CSS 官網：https://www.tailwindcss.cn/ Tailwind CSS 是一個 CSS 框架，使用初級“工具”類創建佈局 如 Bootstrap 等傳統 CSS 框架，其使用的類通常與組件直接相關；然而，Tailwind 則採用了 ...
  • 說說如何在Vue項目中應用TypeScript？
    這裡給大家分享我在網上總結出來的一些知識，希望對大家有所幫助 一、前言 與link類似 在VUE項目中應用typescript，我們需要引入一個庫vue-property-decorator， 其是基於vue-class-component庫而來，這個庫vue官方推出的一個支持使用class方式來開 ...
  • 設計模式學習（一）單例模式補充——單例模式析構
    目錄前言無法調用析構函數的原因改進方法內嵌回收類智能指針局部靜態變數參考文章 前言 在《單例模式學習》中提到了，在單例對象是通過new關鍵字動態分配在堆上的情況下，當程式退出時，不會通過C++的RAII機制自動調用其析構函數。本文討論一下這種現象的原因以及解決方法。 無法調用析構函數的原因 在DCL ...
一周排行
    -Advertisement-
    Play Games
  • GoF之工廠模式
    GoF之工廠模式 @目錄GoF之工廠模式每博一文案1. 簡單說明“23種設計模式”1.2 介紹工廠模式的三種形態1.3 簡單工廠模式（靜態工廠模式）1.3.1 簡單工廠模式的優缺點:1.4 工廠方法模式1.4.1 工廠方法模式的優缺點:1.5 抽象工廠模式1.6 抽象工廠模式的優缺點：2. 總結:3 ...
  • dotnet C# 簡單的追加文件夾到 ZipArchive 壓縮文件的方法
    新改進提供的Taurus Rpc 功能，可以簡化微服務間的調用，同時可以不用再手動輸出模塊名稱，或調用路徑，包括負載均衡，這一切，由框架實現並提供了。新的Taurus Rpc 功能，將使得服務間的調用，更加輕鬆、簡約、高效。 ...
  • Elasticsearch 系列（六）- ES數據同步和ES集群
    本章將和大家分享ES的數據同步方案和ES集群相關知識。廢話不多說，下麵我們直接進入主題。 一、ES數據同步 1、數據同步問題 Elasticsearch中的酒店數據來自於mysql資料庫，因此mysql數據發生改變時，Elasticsearch也必須跟著改變，這個就是Elasticsearch與my ...
  • 自動化測試數據生成：Asp.Net Core單元測試利器AutoFixture詳解
    引言 在我們之前的文章中介紹過使用Bogus生成模擬測試數據，今天來講解一下功能更加強大自動生成測試數據的工具的庫"AutoFixture"。 什麼是AutoFixture? AutoFixture 是一個針對 .NET 的開源庫，旨在最大程度地減少單元測試中的“安排（Arrange）”階段，以提高 ...
  • .NET Emit 入門教程：第七部分：實戰項目1：將 DbDataReader 轉實體
    經過前面幾個部分學習，相信學過的同學已經能夠掌握 .NET Emit 這種中間語言，並能使得它來編寫一些應用，以提高程式的性能。隨著 IL 指令篇的結束，本系列也已經接近尾聲，在這接近結束的最後，會提供幾個可供直接使用的示例，以供大伙分析或使用在項目中。 ...
  • Windows下綁定線程到指定的CPU核心
    當從不同來源導入Excel數據時，可能存在重覆的記錄。為了確保數據的準確性，通常需要刪除這些重覆的行。手動查找並刪除可能會非常耗費時間，而通過編程腳本則可以實現在短時間內處理大量數據。本文將提供一個使用C# 快速查找並刪除Excel重覆項的免費解決方案。 以下是實現步驟： 1. 首先安裝免費.NET ...
  • mORMot 1.18 第07章 簡單的讀寫操作
    C++ 異常處理 C++ 異常處理機制允許程式在運行時處理錯誤或意外情況。它提供了捕獲和處理錯誤的一種結構化方式，使程式更加健壯和可靠。 異常處理的基本概念： 異常: 程式在運行時發生的錯誤或意外情況。 拋出異常: 使用 throw 關鍵字將異常傳遞給調用堆棧。 捕獲異常: 使用 try-catch ...
  • mORMot 1.18 第06章 概念
    優秀且經驗豐富的Java開發人員的特征之一是對API的廣泛瞭解，包括JDK和第三方庫。 我花了很多時間來學習API，尤其是在閱讀了Effective Java 3rd Edition之後 ，Joshua Bloch建議在Java 3rd Edition中使用現有的API進行開發，而不是為常見的東西編 ...
  • php 開發規範
    框架 · 使用laravel框架，原因：tp的框架路由和orm沒有laravel好用 · 使用強制路由，方便介面多時，分多版本，分文件夾等操作 介面 · 介面開發註意欄位類型，欄位是int，查詢成功失敗都要返回int（對接java等強類型語言方便） · 查詢介面用GET、其他用POST 代碼 · 所 ...
  • 2024 年 4 月 28 日 周日 晴 熱（1253 字）
    正文 下午找企業的人去鎮上做貸後。 車上聽同事跟那個司機對罵，火星子都快出來了。司機跟那同事更熟一些，連我在內一共就三個人，同事那一手指桑罵槐給我都聽愣了。司機也是老社會人了，馬上聽出來了，為那個無辜的企業經辦人辯護，實際上是為自己辯護。 “這個事情你不能怪企業。”“但他們總不能讓銀行的人全權負責， ...
所有分類