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设计模式 - 创建型模式 - 单例模式(C++)

2022-06-15 23:16 2151 查看 https://www.cnblogs.com/const-

1、前言

单例模式属于创建型模式,保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。

单例模式确保某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,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。

2、介绍

2.1、主要解决

防止一个系统全局使用的类频繁地创建与销毁、解决多线程并发访问的问题和节约系统内存等,提高系统运行的效率,提高系统性能。

什么情况需要使用全局的类?通常是对共享资源的使用。

比如需要实现系统控制打印机工作,一般都会定义一个“打印机管理类”用来管理打印机的各个功能,有多个模块都需要控制打印机工作,在没有使用单例模式的情况下,会遇到一下问题:

  1. 模块会在需要打印时创建“打印机管理类”,打印完成即销毁,如果需要频繁打印,那么就会频繁地创建和销毁该类;
  2. 如果打印完成不销毁呢?那么多个模块都会创建“打印机管理类”,浪费系统资源;
  3. 一旦出现多个模块同时需要打印,就要解决各模块之间的打印同步问题,毕竟打印机只有一个。

使用单例模式后:

  1. 单例模式会自行创建,同时只提供一个全局访问的类,因此不会造成系统资源的浪费,因此也没有了频繁地创建和销毁的需求。
  2. 多个模块同时需要打印时,只需要由全局的“打印机管理类”实例对打印的任务进行同步管理,无需多个模块之间解决同步的问题,提高系统运行的效率。

2.2、优缺点

单例模式的使用需要根据实际情况使用,以下是该设计模式的优缺点。

优点:

  • 在内存里只有一个实例,减少了内存的开销,尤其是频繁的创建和销毁实例;
  • 避免了多线程并发访问时只需要该类管理同步即可,提高系统运行的效率,提高系统性能。

缺点:

  • 没有接口,不能继承,与单一职责原则冲突;
  • 单例模式可能掩盖不良设计, 比如程序各组件之间相互了解过多等。

3、实现

在了解单例模式可以解决什么问题的情况下,那么如何实现一个单例模式呢?

  1. 在类中添加一个该类的私有静态成员变量用于保存单例实例。
  2. 声明一个公有静态构建方法用于获取单例实例。
  3. 将类的构造函数设为私有。

3.1、懒汉设计

顾名思义,不到万不得已就不会去实例化类,对象只有被调用时才去创建,这种方式是最基本的实现方式,但这种实现最大的问题就是不支持多线程,属于线程不安全的,在多线程使用中,容易多次创建实例,因此严格的来说,并不算单例模式。

class CPrinter
{
public:
static CPrinter *GetInstance() // 提供全局访问实例节点
{
if (ms_pinstance == nullptr)
{
ms_pinstance = new CPrinter();
}

return ms_pinstance;
}

private:
CPrinter(){}
~CPrinter(){}

private:
static CPrinter *ms_pinstance;

public:
void Work(void)
{
printf("[%p]Printer working\n", this);
}
};

CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;

int main()
{
CPrinter::GetInstance()->Work();

return 0;
}

为了解决在多线程使用中,容易多次创建实例的问题,可以加上互斥锁,这样就保证了线程安全。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

class CPrinter
{
public:
static CPrinter *GetInstance() // 提供全局访问实例节点
{
ms_initMutex.lock();

if (ms_pinstance == nullptr)
{
ms_pinstance = new CPrinter();
}

ms_initMutex.unlock();

return ms_pinstance;
}

private:
CPrinter(){}
~CPrinter(){}

private:
static CPrinter *ms_pinstance;
static std::mutex ms_initMutex;

public:
void Work(void)
{
printf("[%p]Printer working\n", this);
}
};

// 类外初始化
CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;
std::mutex CPrinter::ms_initMutex;

int main()
{
/* 创建线程1 */
std::thread([=]{
CPrinter::GetInstance()->Work();
}).detach();

/* 创建线程2 */
std::thread([=]{
CPrinter::GetInstance()->Work();
}).detach();

return 0;
}

3.2、懒汉设计+双重校验锁

虽然上述的优化后的懒汉设计实现解决了线程安全的问题,但加锁会影响效率,为了解决线程安全的问题,同时提高效率,采用双重检查加锁机制,先判断是否为 nullptr,如果不为空,则直接返回实例,避免加锁影响效率,而加锁之后再判断,是为了防止在加锁之前多个线程都进入且竞争互斥锁,避免下一个线程获取锁后再次创建实例。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

class CPrinter
{
public:
static CPrinter *GetInstance() // 提供全局访问实例节点
{
if (ms_pinstance == nullptr)
{
ms_initMutex.lock(); // 如果为空则加锁

if (ms_pinstance == nullptr)
{
ms_pinstance = new CPrinter();
}

ms_initMutex.unlock();
}

return ms_pinstance;
}

private:
CPrinter(){}
~CPrinter(){}

private:
static CPrinter *ms_pinstance;
static std::mutex ms_initMutex;

public:
void Work(void)
{
printf("[%p]Printer working\n", this);
}
};

// 类外初始化
CPrinter *CPrinter::ms_pinstance = nullptr;
std::mutex CPrinter::ms_initMutex;

int main()
{
/* 创建线程1 */
std::thread([=]{
CPrinter::GetInstance()->Work();
}).detach();

/* 创建线程2 */
std::thread([=]{
CPrinter::GetInstance()->Work();
}).detach();

return 0;
}

3.3、饿汉设计

饿汉模式就是在单例类定义的时候(即在main函数之前)就进行实例化。因为main函数执行之前,全局作用域的类成员静态变量ms_instance 已经初始化,因此就不存在多线程的问题。

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

class CPrinter
{
public:
static CPrinter *GetInstance() // 提供全局访问实例节点
{
return &ms_instance;
}

private:
CPrinter(){}
~CPrinter(){}

private:
static CPrinter ms_instance;

public:
void Work(void)
{
printf("[%p]Printer working\n", this);
}
};

CPrinter CPrinter::ms_instance;

int main()
{
std::thread([=]{
CPrinter::GetInstance()->Work();
}).detach();

std::thread([=]{
CPrinter::GetInstance()->Work();
}).detach();

return 0;
}

 

 

 

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