設計模式學習（一）單例模式的幾種實現方式

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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


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