学而时习之单例模式

本文主要说明单例模式的概念，应用，以及C++实现。

I、上帝视角看单例模式

1.1 单例模式特点

单例模式需要满足以下两个条件：
1、保证一个类只创建一个实例；
2、提供对该实例的全局访问点。

1.2 单例模式应用举例

如果系统需要类似的实体（有且仅由一个，且需要全局访问），就可以将其实现为一个单例。其主要应用包括：
1、日志类，一个应用往往只对应一个日志实例；
2、配置类，应用的配置集中管理，并提供全局访问；
3、管理器，如任务管理器就是一个典型的单例；
4、共享资源类，加载资源需要较长的时间，使用单例可以避免重复加载资源，并被多个地方共享访问。

II、单例模式实现

2.1 lazy Singleton

代码实现：

class Singleton
{
public:
    /* 提供static的Instance()方法，作为全局访问点；
     * 如果有现成的实例，则直接返回；
     *如果没有，则将新生成的实例保存到私有的static属性中
    */
     /* Instance()返回的是实例的引用而不是指针，如果是指针有被外部调用者delete的风险。
      * 直到Instance()方法被访问，才会生成实例，这种特性被称为延迟初始化（Lazy Singleton）
     */
    /* 但是这种方式不是线程安全的，比如有线程A和B
     * 都通过了instance==nullptr判断，则两个线程会分配创建新实例，这样单例模式就被打破了。
    */
    static Singleton& Instance() {
        if (instance == nullptr)
            instance = new Singleton;
        return *instance;
    }

private:
    //构造函数与拷贝构造函数，拷贝赋值运算符都声明为私有方法，这样杜绝从外部生成新的实例
    Singleton();
    ~Singleton();
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);

private:
    static Singleton* instance;
};

2.2 Eager Singleton

/* Eager Singleton */
/* 这种模式在程序开始就完成了实例的创建。与Lazy相反；
 * 因为static成员在main函数之前初始化，所以没有线程安全的问题；
 * 但是潜在的问题在于no-local static对象（函数外的static对象）
 * 在不同编译单元中的初始化顺序是未定义的。
 * 如果在初始化完成之前调用了Instance()方法就会返回一个未定义的实例。
 * 也就是说不能保证先完成初始化。
*/
class Singleton
{
public:
    static Singleton& Instance() {
        return instance;
    }
private:
    Singleton();
    ~Singleton();
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);

private:
    static Singleton instance;
};

2.3 Meyers Singleton

/* Meyers Singleton*/
/* 下面是effective C++中提出的一种模式，使用local static对象
 * 实现了当第一次访问Instance()方法时才创建实例。
*/
class Singleton
{
public:
    static Singleton& Instance() {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
private:
    Singleton();
    ~Singleton();
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);

};

2.4 Double-checked Locking Pattern

Lazy Singleton的一种线程安全改造是在Instance()中每次判断是否为nullptr前加锁，但是加锁是很慢的。
而实际上只有第一次实例创建的时候才需要加锁。那么在这之前判断一下实例有没有被创建就可以了，所以多在加锁之前加了一层判断，所以叫做Double-checked。理论上问题解决了，但实际上还是会有很多坑。这里不说明：

static Singleton& Instance() {
    if (instance == nullptr) {
        Lock lock;    //局部作用域加锁，超出作用域，自动析构函数解锁
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton;
        }
    }
    return *instance;
}

【参考】
[1] [单例模式及其C++实现] (https://zkt.name/dan-li-mo-shi-singleton-ji-c-shi-xian/)

欢迎转载，转载请注明出处wenmingxing 学而时习之单例模式