单例模式及C++实现代码 | One Night in Mok's Studio

Contents

1. 单例模式
2. 常用的场景
3. 优点
4. 缺点
5. C++实现代码

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单例模式

单例模式，可以说设计模式中最常应用的一种模式了，据说也是面试官最喜欢的题目。但是如果没有学过设计模式的人，可能不会想到要去应用单例模式，面对单例模式适用的情况，可能会优先考虑使用全局或者静态变量的方式，这样比较简单，也是没学过设计模式的人所能想到的最简单的方式了。

一般情况下，我们建立的一些类是属于工具性质的，基本不用存储太多的跟自身有关的数据，在这种情况下，每次都去new一个对象，即增加了开销，也使得代码更加臃肿。其实，我们只需要一个实例对象就可以。如果采用全局或者静态变量的方式，会影响封装性，难以保证别的代码不会对全局变量造成影响。

考虑到这些需要，我们将默认的构造函数声明为私有的，这样就不会被外部所new了，甚至可以将析构函数也声明为私有的，这样就只有自己能够删除自己了。在Java和C#这样纯的面向对象的语言中，单例模式非常好实现，直接就可以在静态区初始化instance，然后通过getInstance返回，这种就被称为饿汉式单例类。也有些写法是在getInstance中new instance然后返回，这种就被称为懒汉式单例类，但这涉及到第一次getInstance的一个判断问题。

下面的代码只是表示一下，跟具体哪种语言没有关系。

单线程中：

Singleton* getInstance()
{
    if (instance == NULL)
        instance = new Singleton();
 
    return instance;
}

这样就可以了，保证只取得了一个实例。但是在多线程的环境下却不行了，因为很可能两个线程同时运行到if (instance == NULL)这一句，导致可能会产生两个实例。于是就要在代码中加锁。

Singleton* getInstance()
{
    lock();
    if (instance == NULL)
    {
       instance = new Singleton();
    }
    unlock();
 
    return instance;
}

但这样写的话，会稍稍映像性能，因为每次判断是否为空都需要被锁定，如果有很多线程的话，就爱会造成大量线程的阻塞。于是大神们又想出了双重锁定。

Singleton* getInstance()
{
    if (instance == NULL)
    {
	lock();
    	if (instance == NULL)
    	{
       		instance = new Singleton();
    	}
    	unlock();
    }
 
    return instance;
}

这样只够极低的几率下，通过越过了if (instance == NULL)的线程才会有进入锁定临界区的可能性，这种几率还是比较低的，不会阻塞太多的线程，但为了防止一个线程进入临界区创建实例，另外的线程也进去临界区创建实例，又加上了一道防御if (instance == NULL)，这样就确保不会重复创建了。

常用的场景

单例模式常常与工厂模式结合使用，因为工厂只需要创建产品实例就可以了，在多线程的环境下也不会造成任何的冲突，因此只需要一个工厂实例就可以了。

优点

减少了时间和空间的开销（new实例的开销）。
提高了封装性，使得外部不易改动实例。

缺点

懒汉式是以时间换空间的方式。
饿汉式是以空间换时间的方式。

C++实现代码

//Singleton.h
#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_
 
class Singleton{
public:
	static Singleton* getInstance();
 
private:
	Singleton();
	//把复制构造函数和=操作符也设为私有,防止被复制
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
 
	static Singleton* instance;
};
#endif

//Singleton.cpp
#include "Singleton.h"
 
Singleton::Singleton(){
}
 
Singleton::Singleton(const Singleton&){
}
 
Singleton& Singleton::operator=(const Singleton&){
}
 
//在此处初始化
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
Singleton* Singleton::getInstance(){
	return instance;
}

//main.cpp
#include "Singleton.h"
#include <stdio.h>
  
int main(){
	Singleton* singleton1 = Singleton::getInstance();
	Singleton* singleton2 = Singleton::getInstance();
 
	if (singleton1 == singleton2)
		fprintf(stderr,"singleton1 = singleton2\n");
 
	return 0;
}