《每日一练》-实现一个单例模式

最新推荐文章于 2025-04-29 14:59:41 发布

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这篇博客探讨了C++中的单例模式实现，包括饿汉式和懒汉式的详细代码实现，并分析了它们的线程安全性和效率。同时，介绍了指令重排可能导致的单例陷阱，以及C++11通过静态内部变量解决这一问题的方法。文章最后提出，在C++11环境下，静态内部变量可以简化单例模式的实现并保证线程安全。

《每日一练》-实现一个单例模式

单例模式

单例模式

23种设计模式与面向对象

在这里插入图片描述

单例模式

饿汉式

/*************************************************************************
	> File Name: 1.singleton.cpp
	> Mail: 1136984246@qq.com
 ************************************************************************/
// 单例模式四要素（a-b)
#include<iostream>
using namespace std;
// 饿汉
class Singleton {
public:
    static Singleton* getInstance(); // 静态成员函数
private:
    // 构造函数必须私有，外部不可调用构造函数 --(a)--
    Singleton() {
        cout << "new";
    }
    Singleton(const Singleton&)=delete; // ?拷贝构造函数
    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete; // ?赋值运算符？
    static Singleton* instance; // 静态私有成员变量 (全局唯一性，保证线程安全) --(b)--
};
// 饿汉标志：1.无需使用的时候再new，不支持延时加载，但是线程安全（在线程未创建时完成静态成员的初始化）,调用时getInstance直接return；
// 不支持延迟加载 --(c)-- ：有问题早发现,假如单例创建时有问题（OOM，内存泄漏），在创建时就报错，而不是使用时才报错
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
// getInstance在线程安全的情况下要效率高 --(d)--
Singleton* Singleton::getInstance() {
    return instance;
}
int main() {
    Singleton *s = Singleton::getInstance();
    Singleton *ss = Singleton::getInstance();
    Singleton *sss = Singleton::getInstance();
    return 0;
}

懒汉式

/*************************************************************************
	> File Name: 2.singleton.cpp
	> Mail: 1136984246@qq.com
 ************************************************************************/

#include<iostream>
#include <mutex>
using namespace std;

// 懒汉模式：简单加锁 -> 双重检测

class Singleton {
public:
    static Singleton* getInstance();
private:
    Singleton() {
        cout << "new" << endl;
    }
    Singleton(const Singleton&)=delete;
    Singleton& operator=(const Singleton)=delete;
    static Singleton* instance;
    static std::mutex m_mutex;
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr; // ?
std::mutex Singleton::m_mutex;

// 双重检测
Singleton* Singleton::getInstance() {
    if (instance == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); // ?
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
            // 指令重排：有一定概率，与CPU有关 -> 解决方案 -> java中的jvm，c#的volunteer，windows的c++ 
            // new非原子性操作 1.find找空间 2.alloc构造器 3.return (期待的方式)
            // 实际上：X86的优化：由于alloc费时，而且return之后，不一定直接使用 -> 先return后alloc
        }
    }
    return instance;
}

int main() {
    Singleton *s = Singleton::getInstance();
    Singleton *ss = Singleton::getInstance();
    Singleton *sss = Singleton::getInstance();
    return 0;
}

在这里插入图片描述

指令重排与单例陷阱

对于指令重排：假如有线程A，B，A拿到锁，B阻塞，当A进行new操作，先find，再return；进行return instance先释放锁，过一段时间period再alloc；在这段period中，B拿到锁，再次做了一遍new；

c++11的静态内部变量

公司中本质上是C++98，要不用饿汉模式，要不就是复杂原子操作的懒汉模式。有c++11，直接用静态内部变量就可以了。

/*************************************************************************
	> File Name: 3.singleton.cpp
	> Mail: 1136984246@qq.com
 ************************************************************************/

#include<iostream>
using namespace std;
// 静态内部变量
class Singleton {    
public:
    ~Singleton() {
        cout << "out" << endl;
    }
    static Singleton& getInstance() {
        // 在内部new，实现了延迟加载
        static Singleton instance; // c++11 static 线程安全
        return instance;
    } 
private:
    Singleton(const Singleton&)=delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
    Singleton() {
        cout << "new" << endl;
    }
};

int main() {
    Singleton &s = Singleton::getInstance();
    Singleton &ss = Singleton::getInstance();
    Singleton &sss = Singleton::getInstance();
    return 0;
}