单例设计模式共享数据分析、解决,call_once

本文详细介绍了单例设计模式的实现方式,包括在多线程环境下的线程安全处理,使用互斥锁和call_once函数确保实例的唯一性和创建过程的线程安全性。

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单例设计模式

class MyCAS {
private:
	MyCAS() {}
	
private:
	static MyCAS *instance;

public:
	static MyCAS *GetInstance()
	{
		if (instance == NULL)
		{
			instance = new MyCAS();
			static MyCAS_Recover cl;
		}

		return instance;
	}

	class MyCAS_Recover //释放内存
	{
	public:
		~MyCAS_Recover()
		{
			if (MyCAS::instance)
			{
				delete MyCAS::instance;
				MyCAS::instance = NULL;
			}
		}
	};

	void fun()
	{
		cout << &instance << endl;
	}
};

//静态成员初始化
MyCAS *MyCAS::instance = NULL;

int main()
{
	MyCAS *p_a=MyCAS::GetInstance();
	MyCAS *p_b = MyCAS::GetInstance();
	p_a->fun();
	p_b->fun();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

引入线程的概念

static mutex resource_mutex;
class MyCAS {
private:
	MyCAS() {}
	
private:
	static MyCAS *instance;
	

public:
	static MyCAS *GetInstance()
	{
		//提高效率
		if (instance == NULL)
		{
			unique_lock<mutex> mymutex(resource_mutex);
			if (instance == NULL)
			{
				instance = new MyCAS();
				static MyCAS_Recover cl;
			}

		}
		
		return instance;
	}

	class MyCAS_Recover //释放内存
	{
	public:
		~MyCAS_Recover()
		{
			if (MyCAS::instance)
			{
				delete MyCAS::instance;
				MyCAS::instance = NULL;
			}
		}
	};

	void fun()
	{
		cout << &instance << endl;
	}
};

//静态成员初始化
MyCAS *MyCAS::instance = NULL;

void mythread()
{
	MyCAS *p_a = MyCAS::GetInstance();
}

int main()
{
	std::thread thread_1(mythread);
	std::thread thread_2(mythread);

	thread_1.join();
	thread_2.join();
	return 0;
}

std::call_once():能够保证函数A只被调用一次。

static mutex resource_mutex;
once_flag o_f;
class MyCAS {
private:
	MyCAS() {}
	
private:
	static MyCAS *instance;
	static void CreateInstance()
	{
		instance = new MyCAS();
		static MyCAS_Recover cl;
	}

public:
	static MyCAS *GetInstance()
	{
		call_once(o_f, CreateInstance);
		return instance;
	}

	class MyCAS_Recover //释放内存
	{
	public:
		~MyCAS_Recover()
		{
			if (MyCAS::instance)
			{
				delete MyCAS::instance;
				MyCAS::instance = NULL;
			}
		}
	};

	void fun()
	{
		cout << &instance << endl;
	}
};
<think>我们使用Qt框架,但智能指针和call_once是C++11标准库的内容,可以在Qt项目中使用。 目标:使用智能指针(如std::shared_ptr)和std::call_once实现线程安全的单例模式。 步骤: 1. 单例类:将构造函数、拷贝构造函数、赋值运算符私有化或删除,以防止外部创建实例。 2. 使用静态成员变量:一个静态的std::shared_ptr指向单例对象,以及一个静态的std::once_flag用于保证初始化只执行一次。 3. 提供一个公共的静态成员函数获取单例对象,在该函数内使用std::call_once来初始化单例对象。 注意:由于std::call_once是线程安全的,因此可以保证在多线程环境下只初始化一次。 代码示例: ```cpp #include <memory> #include <mutex> // 包含std::once_flag和std::call_once class Singleton { public: // 删除拷贝构造函数和赋值运算符,确保单例唯一性 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 获取单例对象的静态方法 static std::shared_ptr<Singleton> getInstance() { std::call_once(initInstanceFlag, &Singleton::initSingleton); return instance; } private: Singleton() {} // 私有构造函数 // 静态成员变量 static std::shared_ptr<Singleton> instance; static std::once_flag initInstanceFlag; // 用于初始化单例对象的函数 static void initSingleton() { instance = std::shared_ptr<Singleton>(new Singleton()); } }; // 静态成员变量需要在类外初始化 std::shared_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr; std::once_flag Singleton::initInstanceFlag; ``` 但是,上述代码在C++11中,静态局部变量的初始化是线程安全的,所以还有一种更简洁的写法(Meyers' Singleton): 不过这里题目要求使用智能指针和call_once,所以我们按上述方式实现。 然而,我们也可以使用局部静态变量,但这里我们使用智能指针,并且希望使用std::call_once。 但是注意:上述代码中,我们使用了一个静态的std::shared_ptr,并且通过std::call_once来初始化它。 另外,我们也可以使用std::unique_ptr,因为单例模式通常希望只有一个所有者(虽然shared_ptr也可以,但单例通常不需要共享所有权,因为单例对象在程序运行期间一直存在,不会被删除)。但是,使用shared_ptr可以方便地支持弱引用,并且当程序需要释放单例时(比如在程序退出时),可以通过重置shared_ptr来释放。不过,单例通常在整个程序运行期间都存在,所以这里使用shared_ptr或unique_ptr都可以,但shared_ptr更常见于可能需要提前释放或需要弱指针的场景。 如果我们使用unique_ptr,则修改如下: ```cpp class Singleton { public: Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; static Singleton* getInstance() { std::call_once(initInstanceFlag, &Singleton::initSingleton); return instance.get(); } private: Singleton() {} static std::unique_ptr<Singleton> instance; static std::once_flag initInstanceFlag; static void initSingleton() { instance.reset(new Singleton()); } }; std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr; std::once_flag Singleton::initInstanceFlag; ``` 但是,通常我们更倾向于返回引用或原始指针(因为单例的生命周期由单例类自己管理,不需要外部管理),而使用智能指针内部管理主要是为了自动释放。不过,在程序退出时,静态成员变量的析构顺序可能导致问题(比如在单例被析构后,其他静态对象还试图访问它)。使用原始指针则不会自动释放,但我们可以接受,因为单例对象在程序结束时由系统回收(除非有资源需要释放,如文件句柄、网络连接等)。 因此,为了确保资源释放,我们可以使用智能指针来管理,并在程序退出时自动释放。 但是,如果我们使用shared_ptr,那么当最后一个引用释放时,对象就会被销毁。而单例模式通常希望在整个程序运行期间都存在,所以我们需要保证这个shared_ptr不会被意外释放(比如通过getInstance返回的shared_ptr的拷贝被销毁不会影响,因为静态成员instance还存在)。因此,我们返回shared_ptr的拷贝是安全的。 不过,使用unique_ptr的话,我们只能返回原始指针,因为unique_ptr不允许拷贝。这样,外部就只能通过原始指针访问单例,而无法控制单例的生命周期。这符合单例模式的特点。 因此,两种方式都可以,这里我选择使用shared_ptr,因为这样外部也可以持有智能指针,但注意不要重置这个智能指针。 另外,在Qt中,我们可能还需要考虑QObject的父子对象关系,但单例通常没有父对象。 但是,如果单例类继承自QObject,则需要注意:QObject不允许拷贝,所以我们的单例类如果是QObject的派生类,那么拷贝构造函数和赋值运算符已经被删除了,所以不需要再写。另外,QObject的构造函数可以指定父对象,但单例对象没有父对象,所以构造时不要传递父对象。 下面给出一个继承自QObject的单例类示例(使用shared_ptr): ```cpp #include <QObject> #include <memory> #include <mutex> class Singleton : public QObject { Q_OBJECT public: static std::shared_ptr<Singleton> getInstance() { std::call_once(initInstanceFlag, &Singleton::initSingleton); return instance; } // 删除拷贝构造和赋值 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; private: Singleton(QObject *parent = nullptr) : QObject(parent) { // 初始化代码 } static std::shared_ptr<Singleton> instance; static std::once_flag initInstanceFlag; static void initSingleton() { instance = std::make_shared<Singleton>(); } }; // 静态成员初始化 std::shared_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr; std::once_flag Singleton::initInstanceFlag; ``` 注意:在Qt中,如果使用QObject,那么对象树管理可能会影响析构。但这里我们使用智能指针,当程序结束时,静态成员变量会析构,从而释放单例对象。由于单例对象没有父对象,所以不会在父对象析构时被删除,而是由智能指针管理。 另外,如果单例对象在析构时需要执行一些操作(如保存状态),可以在析构函数中实现。 但是,使用std::call_once和智能指针,我们实现了线程安全的单例模式。 相关问题: 1. 为什么使用std::call_once比双重检查锁定更优? 2. 在单例模式中,使用std::shared_ptr和std::unique_ptr有什么区别? 3. 在Qt中使用单例模式需要注意哪些问题? 4. 如何确保单例对象在程序退出时安全释放资源?</think>### Qt C++ 使用智能指针和 std::call_once 实现线程安全的单例模式 以下是使用 `std::shared_ptr` 和 `std::call_once` 实现线程安全单例模式的完整代码: ```cpp #include <memory> #include <mutex> #include <QCoreApplication> class Singleton { public: // 获取单例实例的静态方法 static std::shared_ptr<Singleton> getInstance() { std::call_once(initFlag, &Singleton::init); // 保证只初始化一次 return instance; } // 删除拷贝构造和赋值运算符 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 示例成员函数 void doSomething() { qDebug() << "Singleton instance at: " << this; } private: Singleton() = default; // 私有构造函数 ~Singleton() = default; // 私有析构函数 static void init() { // 实际初始化函数 instance.reset(new Singleton()); } static std::shared_ptr<Singleton> instance; // 智能指针管理实例 static std::once_flag initFlag; // 初始化控制标志 }; // 静态成员初始化 std::shared_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr; std::once_flag Singleton::initFlag; int main(int argc, char *argv[]) { QCoreApplication app(argc, argv); // 线程安全访问示例 auto threadFunc = []{ auto s = Singleton::getInstance(); s->doSomething(); }; std::thread t1(threadFunc); std::thread t2(threadFunc); t1.join(); t2.join(); return app.exec(); } ``` #### 关键实现说明: 1. **智能指针管理** 使用 `std::shared_ptr` 管理单例生命周期,自动处理内存释放[^2]。 2. **线程安全初始化** `std::call_once` 配合 `std::once_flag` 确保多线程环境下只执行一次初始化[^1]。 3. **禁用拷贝操作** 显式删除拷贝构造函数和赋值运算符,防止意外复制实例。 4. **私有构造函数** 确保只能通过 `getInstance()` 获取实例,防止外部创建。 5. **Qt 集成** 可继承 `QObject` 并在构造函数中添加 Qt 相关功能(如信号槽)。 #### 优势: 1. **线程安全**:无需手动加锁,避免死锁风险[^1][^4] 2. **资源高效**:`call_once` 比互斥锁性能更高 3. **自动内存管理**:智能指针自动处理资源释放 4. **延迟初始化**:实例在首次调用时创建 > **注意**:如果不需要共享所有权,可将 `std::shared_ptr` 替换为 `std::unique_ptr`,此时 `getInstance()` 需返回原始指针: > ```cpp > static Singleton* getInstance() { > std::call_once(initFlag, []{ instance.reset(new Singleton()); }); > return instance.get(); // 返回原始指针 > } > ```
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