带你快速理解单例模式（P：C++）

最新推荐文章于 2024-05-24 16:06:30 发布

小米内推官_AngelDg

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分类专栏：设计模式剑指offer

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设计模式：单例模式

什么是单例模式
- 饿汉方式
- 懒汉方式
如何实现单例模式
- 知识点习题：

什么是单例模式

单例模式是非常典型的一种设计模式

某些类, 只应该具有一个对象(实例), 就称之为单例.

一个类实例化的对象公用同一份资源(一份资源只能被申请一次)

例如：一个男人只能有一个媳妇.

在很多服务器开发场景中, 经常需要让服务器加载很多的数据 (上百G) 到内存中. 此时往往要用一个单例的类来管理这些数据.

饿汉方式

资源在程序初始化的时候就去加载。（后边使用的时候就能直接使用）

优缺点：

使用的时候比较流畅
有可能会加载用不上的资源，并且会导致程序初始化的时间比较慢

只要通过 Singleton 这个包装类来使用 T 对象，则一个进程中只有一个 T 对象的实例。

懒汉方式

资源在使用的时候发现还没有加载，则申请加载

优缺点：

程序初始化比较快
第一次运行某个模块的时候就会比较慢，因为这时候去加载相应资源

懒汉方式最核心的思想是 “延时加载”. 从而能够优化服务器的启动速度.

[举个洗碗的例子说明]

吃完饭, 立刻洗碗, 这种就是饿汉方式. 因为下一顿吃的时候可以立刻拿着碗就能吃饭.
吃完饭, 先把碗放下, 然后下一顿饭用到这个碗了再洗碗, 就是懒汉方式.

如何实现单例模式

饿汉：单例类定义的时候就进行实例化。

类加载速度相比懒汉慢，但获取对象的速度快，是一种典型的以时间换取空间的做法

优点：线程安全
缺点：不管你用不用这个对象，他都会先创建出来，会造成浪费内存空间

使用static就可以将一个成员变量设置为静态变量，则所有对象公用一份资源(保证对象的唯一性)，并且在程序初始化的时候就会申请资源（静态成员变量初始化在类外）

class Singleton
{
private:
	Singleton(){}
	static Singleton* instance;
public:
	static Singleton* GetSingleton()
	{
		return instance;
	}
};
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();

懒汉：第一次用到类的实例的时候才回去实例化。

单线程：

函数使用static，保证仅仅有一个实例被创建。

class Singleton {
	Singleton(){}	// 构造函数私有化，不允许外界创建对象
	static Singleton* data;
public:
  	static Singleton* GetInstance() {
  		// 只有 data 为NULL时才创建一个实例以避免重复创建
  		if (data == NULL) {
        	data = new Singleton();
      	}
    	return data;
	} 
};

多线程实现所注意的细节：

使用static保证所有对象使用同一份资源
使用volatile,防止编译器过度优化（防止多线程下对代码优化造成的不当影响）
实现线程安全，保证资源判断以及申请过程是安全的
外部二次判断，以及避免资源已经加载成功每次获取都要加锁解锁，以及所带来的锁冲突

class Singleton {
	volatile static Singleton* inst;
   	static std::mutex _mutex;
public:
  	static Singleton* GetInstance() {
    	if (inst == NULL) {	// 双重判定空指针, 降低锁冲突的概率, 提高性能. 
			_mutex.lock();	// 使用互斥锁, 保证多线程情况下也只调用一次 new.(实现线程安全)
			if (inst == NULL) {
        		inst = new Singleton();
      		}
			_mutex.unlock(); 
		}
    	return inst;
  	}
};

不使用 volatile ，可能造成的不当影响：

主要在于inst = new Singleton();这句，这并非是一个原子操作，事实上这句话大概做了下面 3 件事情。

给 inst 分配内存
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
将inst对象指向分配的内存空间（执行完这步 inst 才是 非null 了）

在编译器中存在指令重排序的优化。
　　
也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 inst 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 inst，然后使用，然后顺理成章地报错。
　　
再稍微解释一下，就是说，由于有一个『inst已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (inst ==null)这里，这里读取到的inst已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。这里的关键在于线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。
　　
对于此出现的问题，解决方案为：给instance的声明加上volatile关键字