設計模式 - 創建型模式 - 單例模式(C++)

来源:https://www.cnblogs.com/const-zpc/archive/2022/06/15/16380282.html
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1、前言 單例模式屬於創建型模式,保證一個類僅有一個實例,並提供一個訪問它的全局訪問點。 單例模式確保某一個類只有一個實例,而且自行實例化並向整個系統提供這個實例,這個類稱為單例類,它提供全局訪問的方法。 2、介紹 2.1、主要解決 防止一個系統全局使用的類頻繁地創建與銷毀、解決多線程併發訪問的問題 ...


1、前言

單例模式屬於創建型模式,保證一個類僅有一個實例,並提供一個訪問它的全局訪問點

單例模式確保某一個類只有一個實例,而且自行實例化並向整個系統提供這個實例,這個類稱為單例類,它提供全局訪問的方法。


2、介紹

2.1、主要解決

防止一個系統全局使用的類頻繁地創建與銷毀、解決多線程併發訪問的問題和節約系統記憶體等,提高系統運行的效率,提高系統性能。

什麼情況需要使用全局的類?通常是對共用資源的使用。

比如需要實現系統控制印表機工作,一般都會定義一個“印表機管理類”用來管理印表機的各個功能,有多個模塊都需要控制印表機工作,在沒有使用單例模式的情況下,會遇到一下問題:

  1. 模塊會在需要列印時創建“印表機管理類”,列印完成即銷毀,如果需要頻繁列印,那麼就會頻繁地創建和銷毀該類;
  2. 如果列印完成不銷毀呢?那麼多個模塊都會創建“印表機管理類”,浪費系統資源;
  3. 一旦出現多個模塊同時需要列印,就要解決各模塊之間的列印同步問題,畢竟印表機只有一個。

使用單例模式後:

  1. 單例模式會自行創建,同時只提供一個全局訪問的類,因此不會造成系統資源的浪費,因此也沒有了頻繁地創建和銷毀的需求。
  2. 多個模塊同時需要列印時,只需要由全局的“印表機管理類”實例對列印的任務進行同步管理,無需多個模塊之間解決同步的問題,提高系統運行的效率。

2.2、優缺點

單例模式的使用需要根據實際情況使用,以下是該設計模式的優缺點。

優點:

  • 在記憶體里只有一個實例,減少了記憶體的開銷,尤其是頻繁的創建和銷毀實例;
  • 避免了多線程併發訪問時只需要該類管理同步即可,提高系統運行的效率,提高系統性能。

缺點:

  • 沒有介面,不能繼承,與單一職責原則衝突;
  • 單例模式可能掩蓋不良設計, 比如程式各組件之間相互瞭解過多等。

3、實現

在瞭解單例模式可以解決什麼問題的情況下,那麼如何實現一個單例模式呢?

  1. 在類中添加一個該類的私有靜態成員變數用於保存單例實例。
  2. 聲明一個公有靜態構建方法用於獲取單例實例。
  3. 將類的構造函數設為私有。

3.1、懶漢設計

顧名思義,不到萬不得已就不會去實例化類,對象只有被調用時才去創建,這種方式是最基本的實現方式,但這種實現最大的問題就是不支持多線程,屬於線程不安全的,在多線程使用中,容易多次創建實例,因此嚴格的來說,並不算單例模式。

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全局訪問實例節點
	{
		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
			ms_pinstance = new CPrinter();
		}
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;

int main()
{
    CPrinter::GetInstance()->Work();

    return 0;
}

為瞭解決在多線程使用中,容易多次創建實例的問題,可以加上互斥鎖,這樣就保證了線程安全。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全局訪問實例節點
	{
        ms_initMutex.lock();

		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
			ms_pinstance = new CPrinter();
		}

        ms_initMutex.unlock();
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;
    static std::mutex ms_initMutex;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

// 類外初始化
CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;
std::mutex CPrinter::ms_initMutex;


int main()
{
    /* 創建線程1 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    /* 創建線程2 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}

3.2、懶漢設計+雙重校驗鎖

雖然上述的優化後的懶漢設計實現解決了線程安全的問題,但加鎖會影響效率,為瞭解決線程安全的問題,同時提高效率,採用雙重檢查加鎖機制,先判斷是否為 nullptr,如果不為空,則直接返回實例,避免加鎖影響效率,而加鎖之後再判斷,是為了防止在加鎖之前多個線程都進入且競爭互斥鎖,避免下一個線程獲取鎖後再次創建實例。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全局訪問實例節點
	{
		if (ms_pinstance == nullptr)
		{
		    ms_initMutex.lock(); // 如果為空則加鎖
		    
		    if (ms_pinstance == nullptr)
		    {
		        ms_pinstance = new CPrinter();
		    }
			
			ms_initMutex.unlock();
		}
		
		return ms_pinstance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter *ms_pinstance;
    static std::mutex ms_initMutex;

  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

// 類外初始化
CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;
std::mutex CPrinter::ms_initMutex;


int main()
{
    /* 創建線程1 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    /* 創建線程2 */
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}

3.3、餓漢設計

餓漢模式就是在單例類定義的時候(即在main函數之前)就進行實例化。因為main函數執行之前,全局作用域的類成員靜態變數ms_instance 已經初始化,因此就不存在多線程的問題。

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

class CPrinter
{
  public:
    static CPrinter *GetInstance() // 提供全局訪問實例節點
	{
		return &ms_instance;
	}
	
  private:
	CPrinter(){}
	~CPrinter(){}
	
  private:
    static CPrinter ms_instance;
    
  public:
	void Work(void)
	{
	    printf("[%p]Printer working\n", this);
	}
};

CPrinter CPrinter::ms_instance;

int main()
{
    std::thread([=]{ 
        CPrinter::GetInstance()->Work(); 
    }).detach();
    
    std::thread([=]{
        CPrinter::GetInstance()->Work();
    }).detach();
    
    return 0;
}

 

 

 

本文來自博客園,作者:大橙子瘋,轉載請註明原文鏈接:https://www.cnblogs.com/const-zpc/p/16380282.html


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