闲聊c/c++ 8: 设计模式: 单例模式真的简单吗?(上)

设计模式简介:

设计模式描述了对象如何进行通信才能不牵涉相互的数据模型和方法。

保持这种独立性一直是一个好的面向对象程序设计的目标。 

Gang of Four的“Design Patterns: Elements of Resualbel Software”书将设计模式
归纳为三大类型，共23种。

创建型模式 :  通常和对象的创建有关，涉及到对象实例化的方式。（共5种模式)

行为型模式： 通常和对象间通信有关。(共11种模式)

结构型模式： 描述的是如何组合类和对象以获得更大的结构。(共7种模式)
                          
            类模式描述的是如何使用继承提供更有用的程序接口。

            而对象模式描述的是如何通过使用对象组合或将对象包含在其他对象里，
            将对象组合成更大的一个结构。

单例模式的适用范围:

1、单例模式可以保证：在一个应用程序中，一个类有且只有一个实例，
 并提供一个访问它的全局访问点。

2、在程序设计过程中，有很多情况需要确保一个类只有一个实例。
 例如：
          windows系统中只能有一个窗口管理器

          某个程序中只能有一个日志输出系统

          一个GUI类库中，有且只有一个ImageManager

          还有其他无数种情况

教科书中的标准实现:

教科书实现.png

教课书中的标准实现的优缺点:

1、优点：该实现是一个"懒汉"单例模式，意味着只有在第一次调用GetInstance()，静  态方法的时候才进行内存分配。如果整个程序不调用该静态方法，则不会分配内存。相对应的是"饿汉"单例模式。

2、缺点：  1) "懒汉"模式虽然有优点，但是每次调用GetInstance()静态方法时，
              必须判断NULL == m_instance，使程序相对开销增大。

           2) 由于使用指针动态内存分配，我们必须在程序结束时，
              手动的调用ReleaseInstance()静态方法，进行内存的释放。

           3) 教科书标准实现最大的缺点是线程不安全。
              根据该模式的定义，整个应用程序中，不管是单线程，还是多线程，
              都只能有且只有该类的一个实例。而在多线程中会导致多个实例的产生，                 
              从而导致运行代码不正确以及内存的泄露。

教课书中的标准实现的线程不安全性演示:

线程不安全性演示代码.png

VS2008线程不安全行演示效果.png

VS2015线程不安全演示效果.png

1、我们创建3个辅助线程，外加main主线程，一共有4个线程。

2、我们在每个辅助线程里面调用GetInstance()静态方法，由于每个线程
  回调函数速度非常快，导致每个线程在判断NULL==m_instance时，
  都返回true,从而导致每个线程回调函数都会创建一个CSingleton1对
  象并返回指向该对象的指针。

3、我们根本没办法进行CSingleton1的内存释放，因为在多线程中，
   我们根本不知道是创建了1个、2个或3个CSingleton1的实例

Meyers Singleton Pattern实现：

Meyers Singleton.png

Meyers Singleton Pattern的优缺点 ：

1、优点：
           1)  该实现是一个"懒汉"单例模式，意味着只有在第一次调用GetInstance()时才会
                实例化。

           2)  不需要每次调用GetInstance()静态方法时，必须判断NULL==m_instance,效
                 率相对高一些。

           3)  使用对象而不是指针分配内存，因此自动回调用析构函数，不会导致内存泄露。

           4)  在多线程下的确能够保证有且只有一个实例产生。
           

2、缺点：

          在某些编译器中，在多线程情况下，并不是真正意义上的线程安全的实现

Meyers Singleton Pattern缺点演示：

我们修改一下前面线程函数

Instance2测试.png

VS2008Meyers单例线程不安全性演示.png

Meyers Singleton Pattern线程不安全性的原因:

    这是因为C++中构造函数并不是线程安全的。

    C++中的构造函数简单来说分两步：

    第一步：内存分配

    第二步：初始化成员变量

    由于多线程的关系，可能当我们在分配内存好了以后，还没来得急初始化成员变量，就
    进行线程切换，另外一个线程拿到所有权后，由于内存已经分配了，但是变量初始化还
    没进行，因此打印成员变量的相关值会发生不一致现象。

    结论：Meyers方式虽然能确保在多线程中产生唯一的实例，但是不能确保成员变量的值是否正确.

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下一篇我们来实现一个线程安全，无内存泄漏，基于“懒汉”行为的单例模式。