【C++】设计模式之——单例模式_c++单例模式运用需要注意哪些地方-优快云博客

本文详细介绍了C++中的单例模式，包括实现注意事项、模式结构图以及两种常见的实现方式——饿汉模式和懒汉模式。讨论了饿汉模式的内存浪费与线程安全，以及懒汉模式的线程不安全问题及其解决方案，通过使用volatile关键字确保线程安全和有序性。

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保证一个类仅有一个实例对象，并且提供一个访问它的全局访问点，并且使用静态数据成员来表达这唯一的一个对象。可以类比于windows的任务管理器，无论多少次打开，始终只显示一个窗口。

一、实现单例模式需要注意的点：

（1）屏蔽构造和拷贝构造函数；

（2）在类中提供一个接口生成唯一的对象，不能返回类类型；

（3）不能依赖对象调用；

实现单例解决的问题是怎样创建一个唯一的对象？

二、单例模式结构图：

单例模式典型的结构图。在Singleton 模式的结构图中可以看到，通过维护一个 static 的成员变量来记录这个唯一的对象实例。通过提供一个 staitc 的接口 instance 来获得这个唯一的实例。

三、单例模式的实现：

单例模式下的对象加载又分为懒汉模式和饿汉模式。

1、懒汉模式：第一次用到类实例的时候才会去实例化，也称延时加载；

2、饿汉模式：在单例类定义的时候就进行了实例化，也称贪婪加载；

四、两者的具体如下：

1、饿汉模式实现：符合贪婪加载即就是提前加载；

缺点：当提前加载好的对象在后期没有用到的时候会造成内存浪费；

优点：不存在线程安全问题；

class Singleton
{
public:
    static Singleton* GetInstance()
    {
        return single;
    }
private:
    Singleton(){};
    Singleton(const Singleton&);
    static Singleton *single;
};
Singleton *Singleton::single = new Singleton();

3、懒汉模式的实现：符合延时加载即就是用时才生成；

缺点：存在线程安全的问题；

为什么是线程不安全呢？

假设我们有两个线程，线程1进入要创建实例对象，当线程1将要创建时，cpu切换给了线程2，此时线程2也要创建实例对象，single为空，线程2成功创建了对像后。Cpu切换给了线程1，线程1继续进行对象的创建，这样最终会产生2个对象。这种结果就不是我们单例模式所要实现的目标。因此说它是线程不安全的。如下图所示：

那么，我们可以通过锁机制来实现线程安全，而且必须用二重锁机制。

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if(single == NULL)
		{
			//lock()
			if(single == NULL)
			{
				single = new Singleton();
			}
			//unlock();
		}
		return single;
	}
private:
	Singleton(){};
	Singleton(const Singleton&);
	static Singleton *single;
};
Singleton *Singleton::single = NULL;

但是对于懒汉模式下的二重锁机制加载也会存在一个微小的问题：就是在single = new Singleton();时；因为new不是一个原子操作，在进行new的时候会有以下三步：

（1）分配内存空间；（2）调用构造函数进行初始化（3）将定义的对象single指向刚分配的内存空间

但是在计算机系统中为了提高计算机系统性能，编译器，处理器，缓存会对程序指令和数据进行重排序，而对象的初始化操作并不是一个院子操作。因此上述的三步操作可能会被重排序为：（1）（3）（2）

所以可能会存在这样的情况：一个线程正在构造对象的过程中（构造方法还未调用），另一个线程检查时看见了single为非空。也就是说对象可能会被非安全发布（对象并不完整就被其他线程所使用）。

解决这一问题：使用volatile关键字，这个关键字的作用就是禁止编译器优化；此时，系统就被禁止进行重排序，所有的写操作都将发生在读操作之前。

volatile static Singleton* single;//标识唯一对象；

volatile关键字能保证可见性和有序性；

在这里其保证了有序性，两层含义：

第一当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；

第二在进行指令优化时，不能将在对volatile变量的读操作或者写操作的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。