C++單例設(shè)計(jì)模式詳細(xì)講解

更新時(shí)間：2022年06月10日 10:47:28 作者：愛生活，愛代碼

單例模式（Singleton Pattern）是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式之一。這種類型的設(shè)計(jì)模式屬于創(chuàng)建型模式，它提供了一種創(chuàng)建對(duì)象的最佳方式，這種模式涉及到一個(gè)單一的類，該類負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的對(duì)象，同時(shí)確保只有單個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建

特殊類設(shè)計(jì)

只能在堆上創(chuàng)建對(duì)象的類

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)類，只能在堆上創(chuàng)建對(duì)象

實(shí)現(xiàn)方式：

將類的構(gòu)造函數(shù)私有，拷貝構(gòu)造聲明成私有。防止別人調(diào)用拷貝在棧上生成對(duì)象。
提供一個(gè)靜態(tài)的成員函數(shù)，在該靜態(tài)成員函數(shù)中完成堆對(duì)象的創(chuàng)建

class test 
{
public:
	static test* GetObj() 
	{
		return new test();  //堆上申請(qǐng)并創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象
	}
private:
	//構(gòu)造函數(shù)私有
	test() { cout << "調(diào)用了構(gòu)造函數(shù)" << endl; }
	//拷貝構(gòu)造私有化，無法實(shí)例化對(duì)象
	test(const test& obj){};
};
void func1() 
{
	test* p = test::GetObj();  //通過調(diào)用靜態(tài)函數(shù)獲取對(duì)象的指針
}

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)類只能在棧上創(chuàng)建對(duì)象

方法一：同上將構(gòu)造函數(shù)私有化，然后設(shè)計(jì)靜態(tài)方法創(chuàng)建對(duì)象返回即可。

//只能在棧上創(chuàng)建對(duì)象
class test1 
{
public:
	static test1 GetObj()
	{
		return test1(); //棧上創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象并返回
	}
	test1() { cout << "調(diào)用了構(gòu)造函數(shù)" << endl; }
private:
	//拷貝構(gòu)造私有化無法實(shí)例化對(duì)象
	test1(const test1& obj) {  }
};

方法二：屏蔽new，因?yàn)閚ew在底層調(diào)用void* operator new(size_t size)函數(shù)（會(huì)在堆上開辟空間），我們只需要在類里面自定義定位new和delete就會(huì)不再new的時(shí)候調(diào)用全局的operator new和operator delete 最后該函數(shù)私有化，也就防止了在堆上創(chuàng)建對(duì)象，注意：也要防止定位new

class test02 
{
public:
	test02() 
	{ }
private:
	//自定義的定位new、定位delete
	void *operator new(size_t size) 
	{ 
		//代碼....  
	}
	void operator delete(void *p)  
	{  
		//代碼....
	}
};

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)類不能被拷貝

拷貝只會(huì)放生在兩個(gè)場(chǎng)景中：拷貝構(gòu)造函數(shù)以及賦值運(yùn)算符重載，因此想要讓一個(gè)類禁止拷貝，只需讓該類不能調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)以及賦值運(yùn)算符重載即可。

C++98將拷貝構(gòu)造函數(shù)與賦值運(yùn)算符重載只聲明不定義，并且將其訪問權(quán)限設(shè)置為私有即可

原因：

設(shè)置成私有：如果只聲明沒有設(shè)置成private，用戶自己如果在類外定義了，就可以不能禁止拷貝了
只聲明不定義：不定義是因?yàn)樵摵瘮?shù)根本不會(huì)調(diào)用，定義了其實(shí)也沒有什么意義，不寫反而還簡(jiǎn)單，而且如果定義了就不會(huì)防止成員函數(shù)內(nèi)部拷貝了。
C++11的寫法也可以在默認(rèn)成員函數(shù)后面加上delete，表示讓編譯器刪除掉該默認(rèn)成員函數(shù)

class CopyBan
{
 // ...
private:
 CopyBan(const CopyBan&);
 CopyBan& operator=(const CopyBan&);
 //...
};

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)類不能被繼承

C++98會(huì)對(duì)父類的構(gòu)造函數(shù)私有化，但是這個(gè)方法并不夠徹底，實(shí)際上是子類還是繼承了父類的，只是沒辦法實(shí)例化對(duì)象，那么也就沒有意義了

class test
{
private:
	test(){}
}

C++11方法

final關(guān)鍵字，final修飾類，表示該類不能被繼承

class A final
{
 // ....
};

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)類只能創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象(單例模式)

設(shè)計(jì)模式（Design Pattern）是一套被反復(fù)使用、多數(shù)人知曉的、經(jīng)過分類的、代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。為什么會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)模式這樣的東西呢？就像人類歷史發(fā)展會(huì)產(chǎn)生兵法。最開始部落之間打仗時(shí)都是人拼人的對(duì)砍。后來春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，七國(guó)之間經(jīng)常打仗，就發(fā)現(xiàn)打仗也是有套路的，后來孫子就總結(jié)出了《孫子兵法》。孫子兵法也是類似。

使用設(shè)計(jì)模式的目的：為了代碼可重用性、讓代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性。設(shè)計(jì)模式使代碼編寫真正工程化；設(shè)計(jì)模式是軟件工程的基石脈絡(luò)，如同大廈的結(jié)構(gòu)一樣。

單例模式：

一個(gè)類只能創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，即單例模式，該模式可以保證系統(tǒng)中該類只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)，該實(shí)例被所有程序模塊共享。比如在某個(gè)服務(wù)器程序中，該服務(wù)器的配置信息存放在一個(gè)文件中，這些配置數(shù)據(jù)由一個(gè)單例對(duì)象統(tǒng)一讀取，然后服務(wù)進(jìn)程中的其他對(duì)象再通過這個(gè)單例對(duì)象獲取這些配置信息，這種方式簡(jiǎn)化了在復(fù)雜環(huán)境下的配置管理。

單例模式有兩種實(shí)現(xiàn)模式：

餓漢模式、就是說不管你將來用不用，程序啟動(dòng)時(shí)就創(chuàng)建一個(gè)唯一的實(shí)例對(duì)象，如果這個(gè)單例對(duì)象在多線程高并發(fā)環(huán)境下頻繁使用，性能要求較高，那么顯然使用餓漢模式來避免資源競(jìng)爭(zhēng)，提高響應(yīng)速度更好。

實(shí)現(xiàn)方法：在類里面定義一個(gè)靜態(tài)的成員指針obj，通過提供一個(gè)靜態(tài)的成員函數(shù)獲取該指針obj

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

懶漢模式、如果在套用單例設(shè)計(jì)模式，單例對(duì)象構(gòu)造十分耗時(shí)或者占用很多資源，比如加載插件啊，初始化網(wǎng)絡(luò)連接啊，讀取文件啊等等，而有可能該對(duì)象程序運(yùn)行時(shí)不會(huì)用到，那么也要在程序一開始就進(jìn)行初始化，就會(huì)導(dǎo)致程序啟動(dòng)時(shí)非常的緩慢。所以這種情況使用懶漢模式（延遲加載）更好。

懶漢模式：我們需要考慮到多線程的安全隱患，和處理的返回值指針指向的永遠(yuǎn)都是同一個(gè)對(duì)象的指針，這樣子才不會(huì)失去單例對(duì)象的性質(zhì)，主要改變的是static Singleton* GetInstance()；接口函數(shù)的設(shè)計(jì)

static Singleton* GetInstance()
{
	//如果只有一層的if判斷的我們的程序就會(huì)存在一定的問題，
	//在多線程的場(chǎng)景下，多個(gè)線程都是比較自由的，可讀可寫、或者只讀、只寫
	//這樣在一些場(chǎng)景下就會(huì)導(dǎo)致單例對(duì)象失去他本身的性質(zhì)，
	//比如：兩個(gè)線程 th1、th2，同時(shí)進(jìn)入到了if語句中，假設(shè)th1會(huì)先執(zhí)行。
	//為obj 申請(qǐng)了一個(gè)對(duì)象并返回它的指針，難么這個(gè)實(shí)例對(duì)象也就創(chuàng)建了
	//最后return obj，th1結(jié)束后(不確定結(jié)束時(shí)間)，
	//th2又會(huì)再次new一個(gè)對(duì)象給obj,最后導(dǎo)致obj被賦值兩次
	//整個(gè)過程梳理：
	//1、th1線程存在內(nèi)存泄漏，因?yàn)閛bj被賦值兩次，而第一次new出來的對(duì)象并沒有被釋放，那么就存在了內(nèi)存泄漏
	//2、obj被賦值兩次，失去單例對(duì)象性質(zhì)
	if (!obj) 
	{
		if (!obj) 
		{
			obj = new Singleton();
		}
	}
	return obj;  //返回對(duì)象的指針
}

改善一：引入C++11線程庫，加入互斥鎖管理線程

static Singleton* GetInstance()
{
		//通過加鎖，保證了線程安全
		m_mtx.lock();  //加鎖
		//假設(shè)th1先拿到鎖，那么th1就會(huì)先執(zhí)行下面的語句，而th2就會(huì)等待，
		//obj就會(huì)指向new出來的單例對(duì)象，最后th1解鎖完了return ,而th2
		//才剛拿到鎖繼續(xù)if判斷的時(shí)候obj已經(jīng)有值了就會(huì)跳過if繼續(xù)往下執(zhí)
		//行，然后解鎖最終return ,整個(gè)過程中單例對(duì)象只有一份，
		//不存在二次賦值
		if (!obj) 
		{
			obj = new Singleton();
		}
		m_mtx.unlock();  //解鎖
	return obj;  //返回對(duì)象的指針
}

進(jìn)一步優(yōu)化

因?yàn)榈谝淮渭渔i解鎖之后，處理了線程安全的問題，而往后的obj指針已經(jīng)被初始化了，也就不需要再new一次，所以可以再最外層套上一層if判斷，防止繼續(xù)枷鎖解鎖，因?yàn)轭l繁的加鎖解鎖會(huì)導(dǎo)致線程不斷的切入切出有上下文切換的開銷

static Singleton* GetInstance()
{
	if(!obj)  
		//第一次判斷保護(hù)線程安全，第二次obj已經(jīng)有值，不需要執(zhí)行{....}
		//優(yōu)點(diǎn)：保證線程安全的同時(shí)完成了單例對(duì)象的初始化
	{
		m_mtx.lock();  //加鎖
		if (!obj)   //保證單例對(duì)象只有一份，不會(huì)存在二次賦值
		{
			obj = new Singleton();
		}
		m_mtx.unlock();  //解鎖
	}
	return obj;  //返回對(duì)象的指針
}

完善實(shí)現(xiàn)

//懶漢
class Singleton 
{
public:
	class CGarbo {
	public:
		~CGarbo() {
			if (obj)   //釋放對(duì)象指針，并置空
			{
				delete obj;
				obj = nullptr;
			}
		}
	};
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//雙重檢查的好處是保護(hù)了線程安全，同時(shí)又提高了效率
		if (!obj) 
		{
			m_mtx.lock();  //加鎖
			if (!obj) 
			{
				obj = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();  //解鎖
		}
		return obj;  //返回對(duì)象的指針
	}
private:
	Singleton()  {}
	Singleton(const Singleton& obj) {}
	void operator=(const Singleton& obj) {}
	static Singleton* obj; //聲明對(duì)象指針
	static mutex m_mtx; //聲明互斥鎖
	static CGarbo Garbo;  //聲明垃圾回收器對(duì)象
};
Singleton* Singleton::obj = nullptr;  //對(duì)象指針初始化
mutex Singleton::m_mtx;  //定義互斥鎖
Singleton::CGarbo Garbo;  //定義垃圾回收器對(duì)象