简介
- 单例模式相关学习笔记
单例模式
- 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
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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 ```cpp 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;
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### 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
```cpp
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)
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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 ```cpp class Singleton4 { public: static Singleton4* getInstance() { if (!pSingleton) { lock_guard
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;
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+ 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
```cpp
class Singleton5 {
public:
static Singleton5& getInstance() {
static Singleton5 inst;
return inst;
}
Singleton5(const Singleton5&) = delete;
Singleton5& operator=(const Singleton5&) = delete;
private:
Singleton5() = default;
};