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c++单例模式总结

2023-09-03 19:53 由 西兰花战士 发表于 #软件设计

分类

懒汉式：实例对象在第一次被使用时才进行初始化。

饿汉式：实例在定义时就被初始化。

特点

1、构造函数和析构函数私有化，不允许外部创建实例对象。

2、拷贝构造函数和复制运算符重载被delete，不允许产生新的实例。

3、内部定义一个私有的静态数据成员，该成员为本类的实例化对象。

4、提供公有静态成员方法获取该静态对象。

懒汉式

单线程懒汉式实现

 1 class Singleton
 2 {
 3 public:
 4     static Singleton* Ins()
 5     {
 6         if (_ins == nullptr)
 7             _ins = new Singleton();
 8         return _ins;
 9     }
10 
11 protected:
12     Singleton() {}
13     ~Singleton() {}
14     Singleton(const Singleton&) = delete;
15     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
16 
17 private:
18     static Singleton* _ins;
19 };

缺陷：

  • 非线程安全：假设目前有2个线程同时访问Singleton::Ins方法，线程A在if条件判断为真后，失去时间片，此时_ins还未初始化。线程B访问Singleton::Ins，由于在A线程中还未初始化_ins，导致B线程创建对象并将_ins初始化完成。此时，时间片再次回到A线程，还原现场，上一个时间片中已经判断过if条件，_ins将调用new创建新对象实例，导致对象被创建两次，内存泄漏。
  • 内存泄漏：在类中，我们只负责new了一个对象，并未对其delete,导致内存泄漏。

下面将用双重锁+智能指针解决上面缺陷。

双重锁+智能指针实现

 1 class Singleton
 2 {
 3 public:
 4     ~Singleton() { std::cout << "destructor" << std::endl; }    //必须声明为public
 5 
 6     static std::shared_ptr<Singleton> Ins()
 7     {
 8         if (_ins == nullptr)
 9         {
10             std::lock_guard<std::mutex> lock(_mt);
11             if (_ins == nullptr)
12             {
13                 _ins = std::shared_ptr<Singleton>(new Singleton());
14             }
15         }
16         return _ins;
17     }
18 
19     Singleton(const Singleton&) = delete;
20     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
21 
22 protected:
23     Singleton() { std::cout << "constructor" << std::endl; }
24 
25 private:
26     static std::shared_ptr<Singleton> _ins;
27     static std::mutex _mt;
28 };

缺点：

  • 双重锁在特定环境下依旧是非线程安全的。
  • 强制用户使用智能指针，并且要求将析构函数定义为piblic，可能在实际使用中忽略了该问题导致程序编译出错。

局部静态变量法（推荐）

 1 class Singleton
 2 {
 3 public:
 4     static Singleton& Ins()
 5     {
 6         static Singleton _ins;
 7         return _ins;
 8     }
 9 
10     Singleton(const Singleton&) = delete;
11     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
12 
13 protected:
14     Singleton() { std::cout << "constructor" << std::endl; }
15     ~Singleton() { std::cout << "destructor" << std::endl; }
16 };

C++11标准中定义了一个Magic Static特性：如果变量当前处于初始化状态，当发生并发访问时，并发线程将会阻塞，等待初始化结束。

std::call_once + 内部类方法

 1 class Singleton
 2 {
 3 public:
 4     static Singleton* Ins()
 5     {
 6         std::call_once(_flag, []() {
 7             _ins = new Singleton;
 8         });
 9         return _ins;
10     }
11 
12     Singleton(const Singleton&) = delete;
13     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
14 
15 protected:
16     Singleton() { std::cout << "constructor" << std::endl; }
17     ~Singleton() { std::cout << "destructor" << std::endl; }    //必须声明为私有，否则返回指针将可析构
18 
19 private:
20     struct Deleter
21     {
22         ~Deleter() {
23             delete _ins;
24             _ins = nullptr;
25         }
26     };
27     static Deleter _deleter;
28     static Singleton* _ins;
29     static std::once_flag _flag;
30 };
31 
32 Singleton::Deleter Singleton::_deleter;
33 Singleton* Singleton::_ins = nullptr;
34 std::once_flag Singleton::_flag;

缺点：不美观，在类内部定义内部类，头文件臃肿，适用于.h和.cpp分离的情况下使用。

饿汉式

 

 1 class Singleton
 2 {
 3 public:
 4     static Singleton& Ins()
 5     {
 6         return _ins;
 7     }
 8 
 9     Singleton(const Singleton&) = delete;
10     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
11 
12 protected:
13     Singleton() { std::cout << "constructor" << std::endl; }
14     ~Singleton() { std::cout << "destructor" << std::endl; }
15 
16 private:
17     static Singleton _ins;
18 };
19 
20 Singleton Singleton::_ins;

模板单例

主要解决系统中存在多个模块需要使用单例模式，通过模板+继承解决代码冗余。

 1 template<typename T>
 2 class Singleton
 3 {
 4 public:
 5     static T& Ins()
 6     {
 7         static T _ins;
 8         return _ins;
 9     }
10 
11 protected:
12     Singleton() { std::cout << "constructor" << std::endl; }
13     ~Singleton() { std::cout << "destructor" << std::endl; }
14     Singleton(const Singleton&) = delete;
15     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
16 };
17 
18 class AppInstance : public Singleton<AppInstance>
19 {
20     friend Singleton<AppInstance>;        //声明友元
21     AppInstance() {}    //必须私有化
22     ~AppInstance() {}
23 public:
24     void func() { std::cout << "func"<< std::endl; }
25 };


总结


除非频繁访问或者频繁创建和销毁，尽量不要使用单例模式，可以用组合的方式代替。


在使用单例模式，需要确保线程安全、内存安全。设计时，尽量做到好用、简单。


 


        
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