C++设计模式——单例模式

问题描述

现在,不管开发一个多大的系统(至少我现在的部门是这样的),都会带一个日志功能;在实际开发过程中,会专门有一个日志模块,负责写日志,由于在系统的任何地方,我们都有可能要调用日志模块中的函数,进行写日志。那么,如何构造一个日志模块的实例呢?难道,每次new一个日志模块实例,写完日志,再delete,不要告诉我你是这么干的。在C++中,可以构造一个日志模块的全局变量,那么在任何地方就都可以用了,是的,不错。但是,我所在的开发部门的C++编码规范是参照Google的编码规范的。

全局变量在项目中是能不用就不用的,它是一个定时炸弹,是一个不安全隐患,特别是在多线程程序中,会有很多的不可预测性;同时,使用全局变量,也不符合面向对象的封装原则,所以,在纯面向对象的语言Java和C#中,就没有纯粹的全局变量。那么,如何完美的解决这个日志问题,就需要引入设计模式中的单例模式。

单例模式

何为单例模式,在GOF的《设计模式:可复用面向对象软件的基础》中是这样说的:保证一个类只有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。首先,需要保证一个类只有一个实例;在类中,要构造一个实例,就必须调用类的构造函数,如此,为了防止在外部调用类的构造函数而构造实例,需要将构造函数的访问权限标记为protected或private;最后,需要提供要给全局访问点,就需要在类中定义一个static函数,返回在类内部唯一构造的实例。意思很明白,使用UML类图表示如下。

UML类图

代码实现

单例模式,单从UML类图上来说,就一个类,没有错综复杂的关系。但是,在实际项目中,使用代码实现时,还是需要考虑很多方面的。

实现一:

/**
**提供全局访问点:变量 类
**/

#include <iostream>

using namespace std;

class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
            if (m_Instance == NULL )
            {
                m_Instance = new Singleton ();
            }
            return m_Instance;
    }

private:
    static Singleton *m_Instance;
    Singleton(){}
    ~Singleton(){}
};

Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;

int main()
{
    Singleton *sa = Singleton::GetInstance();
    Singleton *sa2 = Singleton::GetInstance();

    if(sa == sa2){
        cout << "sa===sa2" << endl;
    }

    return 0;
}
#include <iostream>
using namespace std;
 
class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        if (m_Instance == NULL )
        {
            m_Instance = new Singleton ();
        }
        return m_Instance;
    }
 
    static void DestoryInstance()
    {
        if (m_Instance != NULL )
        {
            delete m_Instance;
            m_Instance = NULL ;
        }
    }
 
    // This is just a operation example
    int GetTest()
    {
        return m_Test;
    }
 
private:
    Singleton(){ m_Test = 10; }
    static Singleton *m_Instance;
    int m_Test;
};
 
Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;
 
int main(int argc , char *argv [])
{
    Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
 
    Singleton ::DestoryInstance();
    return 0;
}

这是最简单,也是最普遍的实现方式,也是现在网上各个博客中记述的实现方式,但是,这种实现方式,有很多问题,比如:没有考虑到多线程的问题,在多线程的情况下,就可能创建多个Singleton实例,以下版本是改善的版本。

实现二:

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        if (m_Instance == NULL )
        {
            Lock(); // C++没有直接的Lock操作,请使用其它库的Lock,比如Boost,此处仅为了说明
            if (m_Instance == NULL )
            {
                m_Instance = new Singleton ();
            }
            UnLock(); // C++没有直接的Lock操作,请使用其它库的Lock,比如Boost,此处仅为了说明
        }
        return m_Instance;
    }
 
    static void DestoryInstance()
    {
        if (m_Instance != NULL )
        {
            delete m_Instance;
            m_Instance = NULL ;
        }
    }
 
    int GetTest()
    {
        return m_Test;
    }
 
private:
    Singleton(){ m_Test = 0; }
    static Singleton *m_Instance;
    int m_Test;
};
 
Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;
 
int main(int argc , char *argv [])
{
    Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
    Singleton ::DestoryInstance();
 
    return 0;
}

此处进行了两次m_Instance == NULL的判断,是借鉴了Java的单例模式实现时,使用的所谓的“双检锁”机制。因为进行一次加锁和解锁是需要付出对应的代价的,而进行两次判断,就可以避免多次加锁与解锁操作,同时也保证了线程安全。但是,这种实现方法在平时的项目开发中用的很好,也没有什么问题?但是,如果进行大数据的操作,加锁操作将成为一个性能的瓶颈;为此,一种新的单例模式的实现也就出现了。

实现三

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        return const_cast <Singleton *>(m_Instance);
    }
 
    static void DestoryInstance()
    {
        if (m_Instance != NULL )
        {
            delete m_Instance;
            m_Instance = NULL ;
        }
    }
 
    int GetTest()
    {
        return m_Test;
    }
 
private:
    Singleton(){ m_Test = 10; }
    static const Singleton *m_Instance;
    int m_Test;
};
 
const Singleton *Singleton ::m_Instance = new Singleton();
 
int main(int argc , char *argv [])
{
    Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
    Singleton ::DestoryInstance();
}

因为静态初始化在程序开始时,也就是进入主函数之前,由主线程以单线程方式完成了初始化,所以静态初始化实例保证了线程安全性。在性能要求比较高时,就可以使用这种方式,从而避免频繁的加锁和解锁造成的资源浪费。由于上述三种实现,都要考虑到实例的销毁,关于实例的销毁,待会在分析。由此,就出现了第四种实现方式:

实现四

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        static Singleton m_Instance;
        return &m_Instance;
    }
 
    int GetTest()
    {
        return m_Test++;
    }
 
private:
    Singleton(){ m_Test = 10; };
    int m_Test;
};
 
int main(int argc , char *argv [])
{
    Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
 
    singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
}

以上就是四种主流的单例模式的实现方式,如果大家还有什么好的实现方式,希望大家能推荐给我。谢谢了。

实例销毁

在上述的四种方法中,除了第四种没有使用new操作符实例化对象以外,其余三种都使用了;我们一般的编程观念是,new操作是需要和delete操作进行匹配的;是的,这种观念是正确的。在上述的实现中,是添加了一个DestoryInstance的static函数,这也是最简单,最普通的处理方法了;但是,很多时候,我们是很容易忘记调用DestoryInstance函数,就像你忘记了调用delete操作一样。由于怕忘记delete操作,所以就有了智能指针;那么,在单例模型中,没有“智能单例”,该怎么办?怎么办?

那我先从实际的项目中说起吧,在实际项目中,特别是客户端开发,其实是不在乎这个实例的销毁的。因为,全局就这么一个变量,全局都要用,它的生命周期伴随着软件的生命周期,软件结束了,它也就自然而然的结束了,因为一个程序关闭之后,它会释放它占用的内存资源的,所以,也就没有所谓的内存泄漏了。但是,有以下情况,是必须需要进行实例销毁的:

  1. 在类中,有一些文件锁了,文件句柄,数据库连接等等,这些随着程序的关闭而不会立即关闭的资源,必须要在程序关闭前,进行手动释放;
  2. 具有强迫症的程序员。

以上,就是我总结的两点。

虽然,在代码实现部分的第四种方法能满足第二个条件,但是无法满足第一个条件。好了,接下来,就介绍一种方法,这种方法也是我从网上学习而来的,代码实现如下:

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        return m_Instance;
    }
 
    int GetTest()
    {
        return m_Test;
    }
 
private:
    Singleton(){ m_Test = 10; }
    static Singleton *m_Instance;
    int m_Test;
 
    // This is important
    class GC
    {
    public :
        ~GC()
        {
            // We can destory all the resouce here, eg:db connector, file handle and so on
            if (m_Instance != NULL )
            {
                cout<< "Here is the test" <<endl;
                delete m_Instance;
                m_Instance = NULL ;
            }
        }
    };
    static GC gc;
};
 
Singleton *Singleton ::m_Instance = new Singleton();
Singleton ::GC Singleton ::gc;
 
int main(int argc , char *argv [])
{
    Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
 
    return 0;
}

在程序运行结束时,系统会调用Singleton的静态成员GC的析构函数,该析构函数会进行资源的释放,而这种资源的释放方式是在程序员“不知道”的情况下进行的,而程序员不用特别的去关心,使用单例模式的代码时,不必关心资源的释放。那么这种实现方式的原理是什么呢?我剖析问题时,喜欢剖析到问题的根上去,绝不糊涂的停留在表面。由于程序在结束的时候,系统会自动析构所有的全局变量,实际上,系统也会析构所有类的静态成员变量,就像这些静态变量是全局变量一样。我们知道,静态变量和全局变量在内存中,都是存储在静态存储区的,所以在析构时,是同等对待的。

由于此处使用了一个内部GC类,而该类的作用就是用来释放资源,而这种使用技巧在C++中是广泛存在的。

模式扩展

在实际项目中,一个模式不会像我们这里的代码那样简单,只有在熟练了各种设计模式的特点,才能更好的在实际项目中进行运用。单例模式和工厂模式在实际项目中经常见到,两种模式的组合,在项目中也是很常见的。所以,有必要总结一下两种模式的结合使用。

一种产品,在一个工厂中进行生产,这是一个工厂模式的描述;而只需要一个工厂,就可以生产一种产品,这是一个单例模式的描述。所以,在实际中,一种产品,我们只需要一个工厂,此时,就需要工厂模式和单例模式的结合设计。由于单例模式提供对外一个全局的访问点,所以,我们就需要使用简单工厂模式中那样的方法,定义一个标识,用来标识要创建的是哪一个单件。由于模拟代码较多,在文章最后,提供下载链接。

总结

为了写这篇文章,自己调查了很多方面的资料,由于网上的资料在各方面都有很多的瑕疵,质量参次不齐,对我也造成了一定的误导。而这篇文章,有我自己的理解,如有错误,请大家指正。

由于该文对设计模式的总结,我认为比网上80%的都全面,希望对大家有用。在实际的开发中,并不会用到单例模式的这么多种,每一种设计模式,都应该在最适合的场合下使用,在日后的项目中,应做到有地放矢,而不能为了使用设计模式而使用设计模式。

单例+模板

#include <iostream>

using namespace std;

template<typename T>
class Singleton
{
public:
    static T *getInstance()
    {
        if(p == NULL)
        {
            p = new T();
        }
        return p;
    }
private:
    static T *p;
};

template<typename T>
T *Singleton<T>::p = nullptr;

class Log{
public:
    Log();
    ~Log();
public:
    int display()
    {
        printf("file:%s func:%s line:%d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
        return 0;
    }
};

class Global
{
public:
    Log *mplog;
};

int main()
{
    printf("file:%s func:%s line:%d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    Log *test1;
    Log *test2;

    test1 = Singleton<Global>::getInstance()->mplog; //实例化对象赋值
    test2 = Singleton<Global>::getInstance()->mplog; //实例化对象赋值

    test1->display();
    test2->display();

    printf("file:%s func:%s line:%d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

    if(test1 == test2)
    {
      cout << "sa===sa2" << endl;
    }

    return 0;
}

# 饿汉和饥汉

简述

单例模式(Singleton Pattern)是设计模式中最简单的形式之一,其目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。

这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

UML 结构图

Singleton Pattern

要点

单例模式的要点有三个:

  • 单例类有且仅有一个实例
  • 单例类必须自行创建自己的唯一实例
  • 单例类必须给所有其他对象提供这一实例

从具体实现角度来说,可分为以下三点:

  • 提供一个 private 构造函数(防止外部调用而构造类的实例)
  • 提供一个该类的 static private 对象
  • 提供一个 static public 函数,用于创建或获取其本身的静态私有对象(例如:GetInstance())

除此之外,还有一些关键点(需要多加注意,很容易忽视):

  • 线程安全(双检锁 - DCL,即:double-checked locking)
  • 资源释放


局部静态变量

这种方式很常见,实现非常简单,而且无需担心单例的销毁问题。

// singleton.h
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H

// 非真正意义上的单例
class Singleton
{
public:
    static Singleton& GetInstance()
    {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }

private:
    Singleton() {}
};

#endif // SINGLETON_H

但是,这并非真正意义上的单例。当使用如下方式访问单例时:

Singleton single = Singleton::GetInstance();

这会出现了一个类拷贝问题,从而违背了单例的特性。产生这个问题原因在于:编译器会生成一个默认的拷贝构造函数,来支持类的拷贝。

为了避免这个问题,有两种解决方式:

  1. 将 GetInstance() 函数的返回类型修改为指针,而非引用。
  2. 显式地声明类的拷贝构造函数,并重载赋值运算符。

对于第一种方式,只需要修改 GetInstance() 的返回类型即可:

// singleton.h
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H

// 单例
class Singleton
{
public:
    // 修改返回类型为指针类型
    static Singleton* GetInstance()
    {
        static Singleton instance;
        return &instance;
    }

private:
    Singleton() {}
};

#endif // SINGLETON_H

既然编译器会生成一个默认的拷贝构造函数,那么,为什么不让编译器不这么干呢?这就产生了第二种方式:

// singleton.h
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H

#include <iostream>

using namespace std;

// 单例
class Singleton
{
public:
    static Singleton& GetInstance()
    {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }

    void doSomething() {
        cout << "Do something" << endl;
    }

private:
    Singleton() {}  // 构造函数(被保护)
    Singleton(Singleton const &);  // 无需实现
    Singleton& operator = (const Singleton &);  // 无需实现
};

#endif // SINGLETON_H

这样以来,既可以保证只存在一个实例,又不用考虑内存回收的问题。

Singleton::GetInstance().doSomething();  // OK
Singleton single = Singleton::GetInstance();  // Error 不能编译通过
  • 汉式/饿汉式

在讲解之前,先看看 Singleton 的头文件(懒汉式/饿汉式公用):

// singleton.h
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H

// 单例 - 懒汉式/饿汉式公用
class Singleton
{
public:
    static Singleton* GetInstance();

private:
    Singleton() {}  // 构造函数(被保护)

private:
    static Singleton *m_pSingleton;  // 指向单例对象的指针
};

#endif // SINGLETON_H

懒汉式的特点:

  • Lazy 初始化
  • 非多线程安全

优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费。
缺点:必须加锁(在“线程安全”部分分享如何加锁)才能保证单例,但加锁会影响效率。

// singleton.cpp
#include "singleton.h"

// 单例 - 懒汉式
Singleton *Singleton::m_pSingleton = NULL;

Singleton *Singleton::GetInstance()
{
    if (m_pSingleton == NULL)
        m_pSingleton = new Singleton();

    return m_pSingleton;
}

饿汉式的特点:

  • 非 Lazy 初始化
  • 多线程安全

优点:没有加锁,执行效率会提高。
缺点:类加载时就初始化,浪费内存。

// singleton.cpp
#include "singleton.h"

// 单例 - 饿汉式
Singleton *Singleton::m_pSingleton = new Singleton();

Singleton *Singleton::GetInstance()
{
    return m_pSingleton;
}


线程安全

在懒汉式下,如果使用多线程,会出现线程安全隐患。为了解决这个问题,可以引入双检锁 - DCL 机制。

// singleton.h
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H

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

// 单例 - 懒汉式/饿汉式公用
class Singleton
{
public:
    static Singleton* GetInstance();

private:
    Singleton() {}  // 构造函数(被保护)

private:
    static Singleton *m_pSingleton;  // 指向单例对象的指针
    static mutex m_mutex;  // 锁
};

#endif // SINGLETON_H
// singleton.cpp
#include "singleton.h"

// 单例 - 懒汉式(双检锁 DCL 机制)
Singleton *Singleton::m_pSingleton = NULL;
mutex Singleton::m_mutex;

Singleton *Singleton::GetInstance()
{
    if (m_pSingleton == NULL) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);  // 自解锁
        if (m_pSingleton == NULL) {
            m_pSingleton = new Singleton();
        }
    }
    return m_pSingleton;
}

这样,就可以保证线程安全了,但是,会带来较小的性能影响。


资源释放

有内存申请,就要有对应的释放,可以采用下述两种方式:

  • 主动释放(手动调用接口来释放资源)
  • 自动释放(由程序自己释放)

要手动释放资源,添加一个 static 接口,编写需要释放资源的代码:

// 单例 - 主动释放
static void DestoryInstance()
{
    if (m_pSingleton != NULL) {
        delete m_pSingleton;
        m_pSingleton = NULL;
    }
}

然后在需要释放的时候,手动调用该接口:

Singleton::GetInstance()->DestoryInstance();

方式虽然简单,但很多时候,容易忘记调用 DestoryInstance()。这时,可以采用更方便的方式:

// singleton.h
#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H

#include <iostream>

using namespace std;

// 单例 - 自动释放
class Singleton
{
public:
    static Singleton* GetInstance();

private:
    Singleton() {}  // 构造函数(被保护)

private:
    static Singleton *m_pSingleton;  // 指向单例对象的指针

    // GC 机制
    class GC
    {
    public:
        ~GC()
        {
            // 可以在这里销毁所有的资源,例如:db 连接、文件句柄等
            if (m_pSingleton != NULL) {
                cout << "Here destroy the m_pSingleton..." << endl;
                delete m_pSingleton;
                m_pSingleton = NULL;
            }
        }
        static GC gc;  // 用于释放单例
    };
};

#endif // SINGLETON_H

只需要声明 Singleton::GC 即可:

// main.cpp
#include "singleton.h"

Singleton::GC Singleton::GC::gc; // 重要

int main()
{
    Singleton *pSingleton1 = Singleton::GetInstance();
    Singleton *pSingleton2 = Singleton::GetInstance();

    cout << (pSingleton1 == pSingleton2) << endl;

    return 0;
}

在程序运行结束时,系统会调用 Singleton 的静态成员 GC 的析构函数,该析构函数会进行资源的释放。这种方式的最大优点就是在“不知不觉”中进行,所以,对我们来说,尤为省心。

鸿蒙OS单例模式 

miscservices_time

https://gitee.com/openharmony/miscservices_time/blob/master/services/src/time_service.cpp

sptr<TimeService> TimeService::GetInstance()
{
    if (instance_ == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> autoLock(instanceLock_);
        if (instance_ == nullptr) {
            instance_ = new TimeService;
        }
    }
    return instance_;
}

评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包

打赏作者

静思心远

你的鼓励将是我创作的最大动力

¥1 ¥2 ¥4 ¥6 ¥10 ¥20
扫码支付:¥1
获取中
扫码支付

您的余额不足,请更换扫码支付或充值

打赏作者

实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值