单例模式

简介

单例模式相关学习笔记

单例模式，这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。
注意：
- 单例类只能有一个实例
- 单例类必须自己创建自己的唯一实例
- 单例类必须给所有其他对象提供这一实例
单例模式是设计模式中最简单，最常见的一种。其主要目的是确保整个进程中，只有一个类的实例，并且提供一个统一的访问接口。常用于Logger类，通信接口类，线程池等。

基本原理

限制用户直接访问类的构造函数，提供一个统一的public接口获取单例对象
这里有一个先有鸡还是先有蛋的问题
- 因为用户无法访问构造函数，所以无法创建对象
- 因为无法创建对象，所以不能调用普通的getInstance()方法来获取单例对象
解决这个问题的方法很简单，将 getInstance() 定义为static即可(这也会限制getInstance()内只能访问类的静态成员)

注意事项

所有的构造函数是private
拷贝构造，拷贝赋值运算符需要显示删除 =delete，防止编译器自动合成

C++单例模式的几种实现方式

版本一饿汉式

class Singleton1 {
   public:
    static Singleton1* getInstance() { return &inst; }
    Singleton1(const Singleton1&) = delete;
    Singleton1& operator=(const Singleton1&) = delete;

   private:
    Singleton1() = default;
    static Singleton1 inst;
};

Singleton1 Singleton1::inst;

这个版本在程序启动时创建单例对象，即使没有使用也会创建，浪费资源。

版本二懒汉式

通过将单例对象的实例化会推迟到首次调用getInstance()，解决版本一的问题

class Singleton2 {
   public:
    static Singleton2* getInstance() {
        if (!pSingleton) {
            pSingleton = new Singleton2();
        }
        return pSingleton;
    }
    Singleton2(const Singleton2&) = delete;
    Singleton2& operator=(const Singleton2&) = delete;

   private:
    Singleton2() = default;
    static Singleton2* pSingleton;
};

Singleton2* Singleton2::pSingleton = nullptr;

版本三线程安全

在版本二中，如果多个线程同时调用getInstance()则有可能创建多个实例

class Singleton3 {
   public:
    static Singleton3* getInstance() {
        lock_guard<mutex> lck(mtx);
        if (!pSingleton) {
            pSingleton = new Singleton3();
        }
        return pSingleton;
    }
    Singleton3(const Singleton3&) = delete;
    Singleton3& operator=(const Singleton3&) = delete;

   private:
    Singleton3() = default;
    static Singleton3* pSingleton;
    static mutex mtx;
};

Singleton3* Singleton3::pSingleton = nullptr;
mutex Singleton3::mtx;

加锁可以解决线程安全的问题，但是版本三的问题在于效率太低，每次调用getInstance()都需要加锁，而加锁的开销又是相当高昂的

版本四 DCL(Double-Checked Locking)

版本四是版本三的改进版本，只有在指针为空的时候才会进行加锁，然后再次判断指针是否为空。而一旦首次初始化完成之后，指针不为空，则不再进行加锁。既保证了线程安全，又不会导致后续每次调用都产生锁的开销

class Singleton4 {
   public:
    static Singleton4* getInstance() {
        if (!pSingleton) {
            lock_guard<mutex> lck(mtx);
            if (!pSingleton) {
                pSingleton = new Singleton4();
            }
        }
        return pSingleton;
    }
    Singleton4(const Singleton4&) = delete;
    Singleton4& operator=(const Singleton4&) = delete;

   private:
    Singleton4() = default;
    static Singleton4* pSingleton;
    static mutex mtx;
};

Singleton4* Singleton4::pSingleton = nullptr;
mutex Singleton4::mtx;

DCL在很长一段时间内被认为是C++单例模式的最佳实践。但是也有文章表示DCL的正确性取决于内存模型。关于这部分的深入讨论可以参考以下两篇文章
- https://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html
- https://preshing.com/20130930/double-checked-locking-is-fixed-in-cpp11/

版本五 Meyer’s Singleton

这个版本利用局部静态变量来实现单例模式。最早由C++大佬，Effective C++系列的作者Scott Meyers提出，因此也被称为Meyers’ Singleton
TLDR: 这就是C++11之后的单例模式最佳实践，没有之一
- 最简洁：不需要额外定义类的静态成员
- 线程安全：不需要额外加锁
- 没有烦人的指针

class Singleton5 {
   public:
    static Singleton5& getInstance() {
        static Singleton5 inst;
        return inst;
    }

    Singleton5(const Singleton5&) = delete;
    Singleton5& operator=(const Singleton5&) = delete;

   private:
    Singleton5() = default;
};

简介

单例模式

基本原理

注意事项

C++单例模式的几种实现方式

版本一 饿汉式

版本二 懒汉式

版本三 线程安全

版本四 DCL(Double-Checked Locking)

版本五 Meyer’s Singleton

版本一饿汉式

版本二懒汉式

版本三线程安全