【C++】单例模式

一. 介绍

单例模式是属于设计模式的一种，那什么是设计模式呢？

设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。为什么会产生设计模式这样的东西呢？就像人类历史发展会产生兵法一样。最开始部落之间打仗时都是人拼人的对
砍；后来春秋战国时期，七国之间经常打仗，就发现打仗也是有套路的，后来孙子就总结出了《孙子兵法》。孙子兵法就类似于一种打仗的“设计模式”。

使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。

一个类只能创建一个对象，即单例模式。该模式可以保证全局（一个进程中）只有一个唯一的实例对象，并提供一个访问它的全局访问点，该实例对象可以被所有线程访问到。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

单例模式有两种实现：饿汉模式 和 懒汉模式

二. 饿汉模式

介绍：就是说不管你将来用或者不用，程序启动时（即 main 函数执行之前）就会创建单例对象。

特点：如果这个单例对象在多线程高并发环境下频繁使用，性能要求较高，那么显然使用饿汉模式来避免资源竞争，提高响应速度会更好。

实现方法：

• 构造函数私有：防止外部构造单例对象
• 防拷贝：禁用拷贝构造和赋值运算符重载函数，防止外部拷贝单例类对象
• 提供接口：在单例类中定义一个自身类的静态对象，这个对象就是单例对象，设计一个静态方法返回这个单例对象的地址给外部。

通过上面三步就能做到一个类只能创建一个对象，且同一进程下的各线程可以通过一个统一的接口拿到这个实例对象。

代码示例

class Singleton
{
public:
	// 提供访问单例对象的接口
	Singleton* GetInstance()
	{
		return &_inst;
	}

private:
	// 单例对象
	static Singleton _inst;
	// 构造函数私有
	Singleton();
	// 放拷贝
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton&) = delete;
};

// 单例对象存储在静态区中
// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton Singleton::_inst;

补充说明

三. 懒汉模式

介绍：如果单例对象构造十分耗时或者占用很多系统资源，比如加载数据库啊， 初始化网络连接啊，读取文件啊等等，而且有可能该对象在程序运行时不会用到，那么也要在程序一开始就进行初始化，就会导致程序启动时非常的缓慢。 所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好。

特点：第一次使用实例对象时，才会创建对象，进程启动无负载。且当系统中有多个单例实例时，启动顺序可以自由控制。

实现方法：

• 防构造：把构造函数私有，这样外部就不能实例化对象
• 防拷贝：禁用拷贝构造和赋值运算负重载函数，防止外部对我们的单例对象进行拷贝
• 提供一个GetInstance()接口获取单例对象

代码示例

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		// 保护第一次需要加锁，后面都不需要加锁的场景，可以使用双检查加锁
		// 特点：第一次需要加锁，后面不再加锁，保护线程安全，同时提高了效率
		if (_inst == nullptr)
		{
			_mtx.lock();
			if (_inst == nullptr)
			{
				_inst = new Singleton();
			}
			_mtx.unlock();
		}
		return _inst;
	}

private:
	static mutex _mtx;// 互斥锁
	static Singleton* _inst;// 单例对象指针

	// 防构造（把构造函数设为私有）
	Singleton() {};
	// 防拷贝（禁用拷贝构造）
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;// 防拷贝（禁用赋值运算负重载）
};

// 静态成员初始化
mutex Singleton::_mtx; 
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;

其他版本的懒汉

利用静态对象的特性：

• 静态对象的初始化语句只会执行一次
• 创建一个静态对象的过程是原子的

这样我们可以不用加锁，直接在接口中创建一个静态单例对象，然后返回单例对象的地址给外部即可。

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		// 静态对象的初始化只会执行一次
		static Singleton _inst;
		return &_inst;
	}

private:
	Singleton() {};
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

缺点：

• 单例对象创建在静态区，如果单例对象过大，存储在静态区不太合适
• 因为它在静态区，所以我们无法主动释放单例对象

四. 饿汉模式和懒汉模式对比

饿汉

• 优点：简单
• 缺点：
  • 如果单例对象构造函数的工作较多，会导致程序启动慢，迟迟进不了入口 main 函数
  • 如果系统中有多个单例对象，且它们之间有初始化的耦合关系，饿汉模式无法控制它们的初始化顺序

懒汉

• 优点：需要时才调用，可以达到延迟加载的效果
• 确定：相对于饿汉，实现起来更复杂，需要加锁和双检查