C++ 单例模式之-懒汉、饿汉、线程安全和局部静态变量法***

目录

概述

懒汉式：

优点：

缺点：

实例：

饿汉式：

优点：

缺点：

实例：

局部静态变量方法：

线程安全模式：

#1 静态成员指针成员：

#2 静态成员指针成员（改进型）：

#3 静态成员对象

#4 静态局部对象

#5 静态成员指针成员（动态释放）

---

概述

单例模式是一个创建型设计模式，一个类只会创建一个对象。

由于只有一个对象，所以不能够通过new来创建对象，因此类的构造函数得是private的
由于不能够new出对象，所以类内部需要提供一个函数来获取对象，这个函数和对象都是属于类的，而不是对象，因此这个函数和唯一 的对象都得是static的，并且对象是private类型的，函数是public类型的

创建单例的基本步骤：

1. 构造函数私有化，避免外部使用构造函数来创建对象
2. 增加静态私有的当前类的指针变量
3. 提供静态的public接口，可以让用户获取单例
使用场景：

一个类只需要一个对象实例

UML图

懒汉式：

优点：

第一次调用的时候才初始化，避免内存浪费

缺点：

必须加锁才能够保证单例，加锁会影响效率

实例：

class SingletonLazy{
private:
       SingletonLazy(){
              std::cout << "single lazy!" << std::endl;
       }
public:
       static SingletonLazy* getInstatce(){
              if( NULL == lazy ){
                     lazy = new SingletonLazy;
              }
              return lazy;
       }
private:
       static SingletonLazy* lazy;
};
//类外初始化
SingletonLazy* SingletonLazy::lazy = NULL;

饿汉式：

优点：

不需要加锁，执行效率高，线程安全的

缺点：

不管是不是用都会初始化，浪费内存

实例：

    

class SingletonHungry{
private:
       SingletonHungry(){
              std::cout << "single hungry!" << std::endl;
       }
public:
       static SingletonHungry* getInstatce(){
              return hungry;
       }
       //SingletonHungry类退出以后会自动析构free_single，
       //从而调用FreeSingle的析构函数来释放单例
       //其实类退出时会自动释放单例不需要该类
       class FreeSingle{
              ~FreeSingle(){
                     if( NULL != hungry ){
                           delete hungry;
                           hungry = NULL;
                     }
              }
       };
private:
       static SingletonHungry* hungry;
       static FreeSingle free_single;
};
//类外初始化
SingletonHungry* SingletonHungry::hungry = new SingletonHungry;

局部静态变量方法：

// 局部静态变量
class Singleton{
public:
       // 使用指针而不是引用是为了避免拷贝构造函数进行拷贝
       // Singleton single = Singleton::getInstance();
       static Singleton* getInstance(){
              static Singleton instance;
              return instance;
       }
private:
       Singleton(){
              std::cout << "局部静态方式" << std::endl;
       }
       // 如果需要getInstance 返回引用，
       // 也可以通过重载赋值运算符和拷贝构造函数，这两个函数不需要具体的实现
       Singleton(Singleton const & single);
       Singleton& operator = (const Singleton& single);
};

线程安全模式：

class SingletonMulThread{
private:
       SingletonMulThread(){
              std::cout << "single MulThread!" << std::endl;
       }
public:
       static SingletonMulThread* getInstatce(){
              if( NULL == single_multhread ){
                     std::lock_guard lock(mutex);
                     if( NULL == single_multhread ){
                           single_multhread = new SingletonMulThread;
                     }
              }
              return single_multhread;
       }
private:
       static SingletonMulThread* single_multhread;
       static mutex mutex;
};
//类外初始化
SingletonMulThread* SingletonMulThread::single_multhread = NULL;
mutex SingletonMulThread::mutex;

 

一般情况下，为了实现单例我们都会想到使用 static 成员，下面#1是最基本的方式；

#1 静态成员指针成员：

class Singleton{  
        private:  
            Singleton(){};  
            virtual ~Singleton(){};  
        public:  
            Singleton *Instance();  
        protect:  
            static Singleton *_instance;   
    };  
    //Singleton.h  
      
      
    Singleton *Singleton::instance()  
    {  
      
        if(NULL == _instance){  
            _instance = new Singleton();  
        }  
        return _instance;  
    }  
    //Singleton.cpp  
/*
构造时机： 运行时生成； 

对象位置：   堆  

资源释放： new的单例对象，没有时机去释放；

线程安全： 否；  ---在单例构造过程可能重复，造成内存泄露；
*/

#2 静态成员指针成员（改进型）：

在#1的基础上解决存在的两个问题；

如果单例对象的构造实在运行时之前（也就是程序静态变量初始化时完成）就可以避免线程安全的问题；

    class Singleton{  
        public:  
            static Singleton *instance();  
        private:  
            Singleton();  
            virtual ~Singleton();  
            Singleton(const Singleton&){};  
            Singleton& operator=(const Singleton&){};  
        private:  
            class CGarbo{  
                public:  
                    ~CGarbo()  
                    {    
                        if(Singleton::m_pInstance){  
                            delete m_pInstance;  
                        }    
                    }    
            };   
        private:  
            static Singleton *m_pInstance;  
            static CGarbo Garbo;  
    };  
    //Singleton.h  
      
      
    Singleton::CGarbo Singleton::Garbo;  
    Singleton* Singleton::m_pInstance = new Singleton();  
      
    Singleton::Singleton()  
    {  
        printf("contructure funcation\n");  
    }  
      
    Singleton::~Singleton()  
    {  
        printf("deconstructure funcation\n");  
    }  
      
    Singleton* Singleton::instance()  
    {  
        return m_pInstance;  
    }  
    //Singleton.cpp

构造时机： 初始化时生成； 

对象位置：   堆  

资源释放： 通过一个成员的析构函数来释放单例对象，；  非常巧妙， 但是m_pInstance指针和 Garbo两个成员的析构是否有先后顺序，如果指针先被释放（指针变量变成NULL？）那么单例对象还是没有机会被释放；  ---找时间确认一下，然后更新一下这个结果；

线程安全： 是；  ---初始化过程，没有线程竞争；

 

对比以上两种方式，可以看出静态初始化的时候构造单例对象，能够比较好的解决线程安全的问题； 但是资源释放的需要通过曲线救国的方式来解决；

那么能不能把单例对象也生成在静态区呢？这样释放的问题就可以由操作系统自动完成；

#3 静态成员对象

    class Singleton{  
        public:  
            static Singleton *instance();  
        private:  
            Singleton();  
            virtual ~Singleton();  
            Singleton(const Singleton&){};  
            Singleton& operator=(const Singleton&){};  
        private:  
            static Singleton m_instance;  
    };  
    //Singleton.h  
      
    Singleton Singleton::m_instance;  
      
    Singleton::Singleton()  
    {  
        printf("contructure funcation\n");  
    }  
      
    Singleton::~Singleton()  
    {  
        printf("deconstructure funcation\n");  
    }  
      
    Singleton *Singleton::instance()  
    {  
        return &m_instance;  
    }  
    //Singleton.cpp  

构造时机： 初始化时生成； 

对象位置：  静态区

资源释放： 在程序结束时 自动释放静态区的 成员变量

线程安全： 是； 

注意： 静态成员的初始化需要放到类外完成；  那么是否可以把静态对象在成员函数instance（）内部生成呢？

#4 静态局部对象

 class Singleton{  
        public:  
            static Singleton *instance();  
        private:  
            Singleton();  
            virtual ~Singleton();  
            Singleton(const Singleton&){};  
            Singleton& operator=(const Singleton&){};  
 
    };  
    //Singleton.h   
      
    Singleton::Singleton()  
    {  
        printf("contructure funcation\n");  
    }  
      
    Singleton::~Singleton()  
    {  
        printf("deconstructure funcation\n");  
    }  
      
    Singleton *Singleton::instance()  
    {  
        static Singleton ins;
        return &ins;  
 
    }  
 
 //Singleton.cpp

构造时机： 运行时生成； ---参考链接2 ；  --对于C++的局部类对象，是在函数第一次调用时生成；

对象位置：  静态区

资源释放： 在程序结束时 自动释放静态区的 成员变量
线程安全： 是（C++11）；  ---参考链接2，， C++11标准针对局部静态对象的构造能保证线程安全（待查）；

综合以上4中方式，单例对象的释放都是在程序结束时释放，

如果要求能够提供接口随时释放对象，那么就必须构造在堆上，然后提供显式的destroy接口；

#5 静态成员指针成员（动态释放）
 

    #ifndef __MUTEX_H__  
    #define __MUTEX_h__  
    #include   
      
    class Mutex{    
    private:  
            pthread_mutex_t m_mutex;  
        public:  
            Mutex();  
            virtual ~Mutex();  
        private:  
            Mutex(const Mutex&){};  
            Mutex& operator=(const Mutex&){};  
        public:  
            int lock();  
            int unlock();  
            int trylock();  
      
    };  
    #endif //__MUTEX_H__  
    //Mutex.h  
      
      
    #include "Mutex.h"  
      
    Mutex::Mutex()  
    {  
        pthread_mutex_init(&m_mutex, NULL);  
    }  
      
    Mutex::~Mutex()  
    {  
        pthread_mutex_destroy(&m_mutex);  
    }  
      
    int Mutex::lock()  
    {  
        return  pthread_mutex_lock(&m_mutex);  
    }  
      
    int Mutex::unlock()  
    {  
        return pthread_mutex_unlock(&m_mutex);  
    }  
      
    int Mutex::trylock()  
    {  
        return pthread_mutex_trylock(&m_mutex);  
    }  
    //Mutex.cpp  
      
    //单例类  
    #ifndef __SINGLETON_H__  
    #defile __SINGLETON_H__  
    #include "Mutex.h"  
    class Singleton{  
      
    public:  
        static Singleton *instance();  
        static void destroy();  
      
    private:  
        Singleton();  
        virtual ~Singleton();  
         Singleton(const Singleton&){};  
         Singleton& operator=(const Singleton&){};  
          
    private:  
        static Singleton *m_pInstance;  
        static Mutex m_Mutex;  
    };  
    #endif //__SINGLETON_H__  
    //Singleton.h  
      
      
    Singleton* Singleton::m_pInstance = NULL;  
    Mutex Singleton::m_Mutex;  
      
    Singleton::Singleton()  
    {  
    //do something  
    }  
      
    Singleton::~Singleton()  
    {  
    //do something  
    }  
      
    Singleton* Singleton::instance()  
    {  
         if(NULL == m_pInstance){  
              m_Mutex.lock();  
              if(NULL == m_pInstance){  
                   m_pInstance = new Singleton();  
              }  
              m_Mutex.unlock();  
         }  
         return m_pInstance;  
    }  
      
    void Singleton::destroy()  
    {  
         if(m_pInstance){  
              m_Mutex.lock();  
              if(m_pInstance){  
                   delete m_pInstance;  
                   m_pInstance = NULL;  
              }  
              m_Mutex.unlock();  
         }  
    }  
    //Singleton.cpp  

当然 也可以吧 静态成员指针放到接口函数里面作为局部静态变量 和局部静态对象；