单例模式(懒汉模式、饿汉模式)

本文解析单例模式如何解决类创建销毁频繁问题,介绍三种常见实现方式:懒汉模式、线程安全懒汉模式和饿汉模式,以及它们在多线程环境下的应用与区别。

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单例模式要解决的问题

主要用于解决一个全局使用的类频发的创建和销毁的问题。单例模式下确保某一个类中只有一个实例,并且自行实例化,然后自行提供给整个系统使用。

单例的实现步骤

1、将该类的构造方法定义为私有方法。这样其他程序就无法通过调用该类的构造方法来实例化该类的对象,只能通过类提供的静态方法,得到该类的唯一实例;

2、在该类中提供一个静态方法。当调用这个方法时,如果存在实例,就返回这里实例。如果不存在,就创建这个实例,并返回。

代码实现

1、懒汉模式(线程不安全)

// 经典懒汉模式(用时再创建)
class Singleton // 线程不安全
{
public:
	static Singleton* getInstance() 
	{
		if (instance == NULL)
		{
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
protected:
	Singleton() { cout << "Singleton()" << endl; }
private:
	static Singleton* instance;
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;

在多线程中,可能存在多个线程同时进入,并创建多个实例的情况。因此需要使用锁来确保线程安全。

2、线程安全的懒汉模式

class Singleton2 // 懒汉模式(线程安全)
{
public:
	static Singleton2* getInstance()
	{  // 双重锁机制
		if (instance == NULL)
		{ // 若不为空,说明已经存在实例,为空,则进入后加锁
			mutex.lock();
			if (instance == NULL)
			{ // 再次判断,确保只有一个线程进入
				instance = new Singleton2(); //创建实例
			}
			mutex.unlock(); //解锁
		}
		return instance;
	}
protected:
	Singleton2() { cout << "Singleton2()" << endl; }
private:
	static Singleton2* instance;
	static std::mutex mutex;
};

Singleton2* Singleton2::instance = NULL;
mutex Singleton2::mutex;

通过双重锁就可以确保只存在一个实例。

3、恶汉模式

class Singleton1  // 饿汉模式,基于类加载实现单例(不管用不用,先创建出来)
{
public:
	static Singleton1* getInstance()
	{
		return instance;
	}
protected:
	Singleton1() { cout << "Singleton1()" << endl; }
private:
	static Singleton1* instance;
}; 

// 必须类外初始化,在类加载时就执行,可能产生垃圾对象
Singleton1* Singleton1::instance = new Singleton1();

恶汉模式,本身就是线程安全的,其基于类加载确保实现单例。

 

### 单例模式懒汉式与饿汉式的区别及实现 单例模式是一种常见的设计模式,确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点。根据实例化对象的时机不同,单例模式可以分为懒汉式和饿汉式两种实现方式。 #### 1. 饿汉式单例模式 饿汉式单例模式在类加载时就完成实例化,因此在使用时无需再进行判断或加锁操作。这种模式的优点是实现简单、线程安全,缺点是可能会浪费内存资源,因为实例在程序启动时就已经创建,即使可能永远不会被使用。 以下是饿汉式单例模式的实现代码: ```java public class Singleton { // 在类加载时直接初始化实例 private static final Singleton instance = new Singleton(); // 私有构造函数,防止外部实例化 private Singleton() {} // 提供全局访问点 public static Singleton getInstance() { return instance; // 直接返回已创建的实例 } } ``` 饿汉式单例模式的特点包括: - 实例在类加载时创建[^1]。 - 线程安全,无需额外的同步机制[^2]。 - 内存占用较高,因为实例一旦创建就不会释放[^2]。 #### 2. 懒汉式单例模式 懒汉式单例模式在第一次调用 `getInstance()` 方法时才创建实例,因此可以延迟实例化,节省内存资源。然而,由于多线程环境下可能存在并发问题,需要通过同步机制来保证线程安全。 以下是懒汉式单例模式的实现代码(线程不安全版本): ```java public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { // 第一次检查 instance = new Singleton(); // 可能存在线程安全问题 } return instance; } } ``` 为了解决线程安全问题,可以通过双重检查锁定(Double-Checked Locking)来优化懒汉式单例模式: ```java public class Singleton { private static volatile Singleton instance; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { // 第一次检查 synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { // 第二次检查 instance = new Singleton(); // 创建实例 } } } return instance; } } ``` 懒汉式单例模式的特点包括: - 实例在第一次调用 `getInstance()` 方法时创建[^1]。 - 内存使用效率较高,因为只有在需要时才会创建实例[^2]。 - 需要额外的同步机制来保证线程安全[^4]。 #### 3. 区别总结 | 特性 | 饿汉式单例模式 | 懒汉式单例模式 | |------------------|-------------------------------|------------------------------------| | 实例化时机 | 类加载时 | 第一次调用 `getInstance()` 时 | | 线程安全性 | 天然线程安全 | 需要额外的同步机制 | | 内存使用 | 较高,实例始终占用内存 | 较低,仅在需要时创建实例 | | 实现复杂度 | 简单 | 较复杂,需考虑线程安全问题 | #### 4. 应用场景 单例模式适用于以下场景[^3]: - 系统只需要一个实例对象时,例如日志模块、线程池模块等。 - 资源消耗较大而只允许创建一个对象时。 - 客户端需要通过公共访问点访问同一实例时。 --- ###
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