C++设计模式-单例模式

原创设计模式 2021年10月12日 07:15 夏至未至 1397

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### 目录
[TOC]
### 什么是单例类
一个类，该类会实例化自己的对象，同时呢，又保证只有这一个对象被实例化即被创建。之后，该类会提供一个方法，用来访问该类唯一被创建的对象，此方法可以直接访问(静态方法)。这个类称为单例类，单例模式是一种对象创建型模式。

### 为什么要用这样的单例类
一个类，如果被全局使用，然后重复的、频繁的创建和销毁，比如一些管理类，这个类就应该被设计为单例类。
### 如何创建单例类
1. 构造函数私有化，避免类外再实例化。
2. 静态方法，返回该类唯一实例化的对象。(方法内需要判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建)

### 何时使用单例类
系统只需要一个实例对象，比如，数据库管理类，只允许创建一个对象。
类实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。

### 单例特点
#### 优点
在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，特别是频繁的创建和销毁实例。
避免了对资源的多重使用，比如项目的配置文件，单次只能有一个人在修改。
#### 缺点
没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

### 代码实现
#### 饿汉式单例
只在第一次用到类实例的时候才实例化。  
> 不支持延迟加载，初始化即实例化

由于是一个static对象，可以保证对象只生成一次，是线程安全的。  
以下代码可以直接上线运行：

##### 源码
    #include <iostream>
    
    // 饿汉式单例类
    class HungrySingleton {
    public:
    
        // 访问唯一实例对象的方法
        static HungrySingleton* getInstance() {
            return instance;
        }
    
        // 销毁唯一实例对象
        static void delInstance() {
            if (instance != nullptr) {
                delete instance;
                instance = nullptr;
            }
        }
    
    private:
        HungrySingleton() {
            std::cout << "饿汉对象创建" << std::endl;
        };
    
        ~HungrySingleton() {
            std::cout << "饿汉对象销毁" << std::endl;
        }
    
        // static 可以保证对象只生成一次,且线程安全
        static HungrySingleton* instance;
    };
    
    // 初始化即实例化(这也是饿的体现，着急实例化)
    HungrySingleton* HungrySingleton::instance = new HungrySingleton();
    
    // 测试饿汉单例
    int main() {
    
        // 模拟频繁创建
        HungrySingleton* hungry1 = HungrySingleton::getInstance();
        HungrySingleton* hungry2 = HungrySingleton::getInstance();
    
        // 通过对象地址判断获取到得是不是唯一对象
        std::cout << "hungry1 address = " << hungry1 << std::endl;
        std::cout << "hungry2 address = " << hungry2 << std::endl;
    
        // 销毁唯一对象
        HungrySingleton::delInstance();
    
        getchar();
        return 0;
    }
##### 输出
    饿汉对象创建
    hungry1 address = 01181DB8
    hungry2 address = 01181DB8
    饿汉对象销毁

#### 懒汉式
懒汉式单例在第一次调用getInstance()方法时实例化。
> 类加载时并不自行实例化，这种技术又称为**延迟加载*(Lazy Load)***技术，即需要的时候再加载实例

为了避免多个线程同时调用getInstance()方法，我们可以使用锁或者static变量

##### 懒汉式单例类+双检查+锁
###### 源码
    #include <iostream>
    #include <mutex>
    
    class LazySingleton {
    public:
    
        // 单例提供访问唯一实例方法
        static LazySingleton* getInstance() {
     
            // 锁不是一进来就加，当 instance 不为空，那这个方法就是只读对象，没必要加锁
            if (instance == nullptr) {
                // 只有为空的时候，new 对象，需要加锁
                std::lock_guard<std::mutex> lck(m_mutex);
                if (instance == nullptr) {
                    instance = new LazySingleton;
                }
            }
            return instance;
        }
    
        // 销毁唯一对象
        static void delInstance() {
            if (instance != nullptr) {
                delete instance;
                instance = nullptr;
            }
        }
    
    private:
        // 构造私有，即只能内部实例化
        LazySingleton() {
            std::cout << "懒汉构造" << std::endl;
        };
    
        // 析构私有，即只能内部销毁，外部不可 delete
        ~LazySingleton() {
            std::cout << "懒汉销毁" << std::endl;
        }
    
        static std::mutex m_mutex;
        static LazySingleton* instance;
    };
    
    std::mutex LazySingleton::m_mutex;
    LazySingleton* LazySingleton::instance = nullptr;
    
    int main() {
        // 模拟频繁创建
        LazySingleton* lazy1 = LazySingleton::getInstance();
        LazySingleton* lazy2 = LazySingleton::getInstance();
    
        std::cout << "lazy1 address = " << lazy1 << std::endl;
        std::cout << "lazy2 address = " << lazy2 << std::endl;
    
        // 销毁
        LazySingleton::delInstance();
    
        getchar();
        return 0;
    }
###### 输出
    懒汉构造
    lazy1 address = 0072E260
    lazy2 address = 0072E260
    懒汉销毁

##### 懒汉式单例类+static变量
###### 源码
    #include <iostream>
    
    class LazySingleton {
    public:
        // 返回静态变量，类内唯一
        static LazySingleton* getInstance() {
            static LazySingleton instance;
            return &instance;
        }
    
    private:
        LazySingleton() {
            std::cout << "懒汉构造" << std::endl;
        };
    
        ~LazySingleton() {
            std::cout << "懒汉析构" << std::endl;
        }
    };
    
    int main() {
        // 模拟频繁创建
        LazySingleton* lazy1 = LazySingleton::getInstance();
        LazySingleton* lazy2 = LazySingleton::getInstance();
    
        std::cout << "lazy1 address = " << lazy1 << std::endl;
        std::cout << "lazy2 address = " << lazy2 << std::endl;
    
        getchar();
        return 0;
    }
###### 输出
    懒汉构造
    lazy1 address = 00F9D140
    lazy2 address = 00F9D140

###### 关于使用 static
1.C++11中可以保证static变量时多线程安全的，在底层实现了加锁操作，所以不需要像以前那样自己写加锁操作。
2.由于是一个static对象，可以保证对象只生成一次；
3.在程序结束的时候，系统会调用对应的析构函数；如果是new出来的对象，程序结束的时候，系统不会自动调用析构函数，而是需要手动释放。

本文标题： C++设计模式-单例模式

本文作者：夏至未至

发布时间： 2021年10月12日 07:15

最近更新： 2022年7月4日 16:34

原文链接：

许可协议：署名-非商业性-禁止演绎 4.0 国际(CC BY-NC-ND 4.0)

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