设计模式之单例模式（C++）

• 一句话描述
  • 理解
  • 作用
• 两种实现
  • 饿汉式
  • 懒汉式
    • 双重检查锁
• 内存回收优化
• 参考目录

一句话描述

确保一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

理解

1. “确保一个类只有一个实例”

   • 这点就要求其构造方法不能是public公开的，一定是不能随便被外面所调用，即不能被外界进行实例化，则它的构造方法只能是private。

2. “而且自行实例化并向整个系统提供这个实例”

   • 只有一个实例的情况下，向整个系统提供这个实例，那么这个实例是必属于这个类的，所以这个实例是类成员变量，即一定是静态变量。

   • 而且，要向整个系统提供这个实例，那么只能是一个

     静态成员方法

     。

     C++中，静态变量只能通过静态成员方法访问。

作用

显而易见，确保一个类只有一个实例存在，比如序号生成、计数器、全局的管理类，在软件架构中应用广泛。

两种实现

根据单例类对象实例化时间段，对单例类的实现，可以分为两类。

饿汉式

#include 

class Only {
public:
    // 提供类实例的唯一接口，静态成员方法
    static Only* GetInstance() {
        return m_singleton;
    }
    
private:
    // 类构造函数一定是private修饰
    Only () {};
    
    // 类实例对象一定是一个静态变量
    static Only* m_singleton;
}
// 静态成员变量（属性）类外初始化，注意需要在cpp文件初始化
Only* Only::m_singleton = new Only();

显而易见，饿汉式的实现在程序加载时就完成，比较着急，所以称为饿汉式。

懒汉式

#include 

class Only {
public:
    // 提供类实例的唯一接口，静态成员方法
    static Only* GetInstance() {
        if(NULL == m_singleton) {
            m_singleton = new Only();
        }
        return m_singleton;
    }
    
private:
    // 类构造函数一定是private修饰
    Only () {};
    
    // 类实例对象一定是一个静态变量
    static Only* m_singleton;
}
// 静态成员变量（属性）类外初始化
Only* Only::m_singleton = NULL;

显而易见，懒汉式的实例初始化在第一次调用获得类实例接口时，不调用则不初始化，比较懒。

双重检查锁

由懒汉式的实现原理可以料想到，在多线程的情况下，可能会遇到static Only* GetInstance()方法，同时被多个线程调用的情况，这样就会static Only* singleton就会被初始化多次，从而发生内存泄漏，那怎么办呢？加锁。

#include 
#include 

// 锁
mutex m_Only_mutex;

class Only {
public:
    // 提供类实例的唯一接口，静态成员方法
    static Only* GetInstance() {
        m_Only_mutex.lock();
        if(NULL == m_singleton) {
            m_singleton = new Only();
        }
        m_Only_mutex.unlock();
        return m_singleton;
    }
    
private:
    // 类构造函数一定是private修饰
    Only () {};
    
    // 类实例对象一定是一个静态变量
    static Only* m_singleton;
}
// 静态成员变量（属性）类外初始化
Only* Only::m_singleton = NULL;

貌似这样就可以了，但是，其实有两个可以优化的地方：

1. 锁范围可以进一步缩小，毕竟static Only* GetInstance()，这个接口可能会被调用多次，所以应该判空语句内部加锁，那么可能同时多个线程运行到判空语句，所以在互斥区的第一句中还需要判空检查一次，这就是双重检查锁。

2. 在多线程使用时，对于当前的单例类实例对象应该加volatile修饰，为什么呢？因为

   m_singleton = new Only();
   

   可以拆分为3步：

   1. 分配内存
   2. 初始化对象
   3. 将m_singleton指向刚分配的内存

这个操作过程其实是非原子操作的，也就是说，在这过程中，CPU可能会发生重排序的情况。比如：线程A已经执行了步骤1和步骤3，还未执行步骤2，这时候m_singleton已经不为空了，假如线程B前，调用static Only* GetInstance()那么B将得到一个没有初始化，但有值的m_singleton，所以，应该使用volatile修饰，避免重排序。

#include 
#include 

// 锁
mutex m_Only_mutex;

class Only {
    // 提供类实例的唯一接口，静态成员方法
    static Only* GetInstance() {
        // 双重检查锁
        if(NULL == m_singleton) {
            m_Only_mutex.lock();
            if(NULL == m_singleton) {
                m_singleton = new Only();
            }
        }
        m_Only_mutex.unlock();
        return m_singleton;
    }
    
private:
    // 类构造函数一定是private修饰
    Only () {};
    
    // 类实例对象一定是一个静态变量
    static Only* volatile m_singleton;
}
// 静态成员变量（属性）类外初始化
Only* Only::m_singleton = NULL;

内存回收优化

对于单例类的实例来讲，有时候必须要将当前实例释放掉，比如关闭文件，释放外部资源。但由于实例是静态成员变量，在类的析构行为中无法实现这个要求。我们需要一种方法，正常地删除该实例。

1. 可以在程序结束时调用

   GetInstance()
   

   并对返回的指针调用delete操作。

   这样做可以实现功能，不是很优美，而且容易出错。因为这样的附加代码很容易被忘记，而且也很难保证在delete之后，没有代码再调用GetInstance()（针对于饿汉式）。

2. 让这个类自己知道在合适的时候把自己删除。或者说把删除自己的操作挂在系统中的某个合适的点上，使其在恰当的时候自动被执行。

   程序在结束的时候，系统会自动析构所有的全局变量。事实上，系统也会析构所有的类的静态成员变量，就像这些静态成员也是全局变量一样。所以，利用这个特性，实现单例类实例，在程序结束时自动释放资源。

#include 
#include 

// 锁
mutex m_Only_mutex;

class Only {
    // 提供类实例的唯一接口，静态成员方法
    static Only* GetInstance() {
        // 双重检查锁
        if(NULL == m_singleton) {
            m_Only_mutex.lock();
            if(NULL == m_singleton) {
                m_singleton = new Only();
            }
        }
        m_Only_mutex.unlock();
        return m_singleton;
    }
    
private:
    class AutoRelease {
	public:
		AutoRelease() {}
        // 通过AutoRelease类的析构函数，释放m_singleton
		~AutoRelease() {
			if(m_singleton) {
				delete m_singleton;
			}
		}
	};

    // 类构造函数一定是private修饰
    Only () {};
    
    // 类实例对象一定是一个静态变量
    static Only* volatile m_singleton;
    // 类静态变量，用于程序退出时，单例类自动析构
    static AutoRelease _autoRelease;
}
// 静态成员变量（属性）类外初始化
Only* Only::m_singleton = NULL;
Only::AutoRelease Only::_autoRelease;

参考目录

• https://www.bilibili.com/video/BV1af4y1y7sS?spm_id_from=333.999.0.0
• https://blog.csdn.net/qq_29542611/article/details/79301595
• https://blog.csdn.net/weixin_44363885/article/details/92838607
• https://bbs.csdn.net/topics/600461189
• 单例模式内存释放