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：
- 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；
- 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；
- 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：
- 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。
- 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？
- 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。
- 聲明一個公有靜態構建方法用於獲取單例實例。
- 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;
}
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