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c語言設(shè)計模式之單例模式中的餓漢與懶漢詳解

 更新時間:2023年08月03日 09:17:36   作者:Pin_na  
這篇文章主要介紹了c語言設(shè)計模式之單例模式中的餓漢與懶漢詳解,單例模式是指一個類只能創(chuàng)建一個對象,保證系統(tǒng)中該類只有一個實例,并提供一個可供訪問的全局訪問點,該實例被所有程序模塊共享,需要的朋友可以參考下

設(shè)計模式

設(shè)計模式是一套反復(fù)使用、多人知曉、經(jīng)過分類的代碼設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)。

如單例模式、工廠模式、觀察者模式等等。

單例模式

單例模式是指一個類只能創(chuàng)建一個對象,保證系統(tǒng)中該類只有一個實例,并提供一個可供訪問的全局訪問點,該實例被所有程序模塊共享,其中單例模式又分為了餓漢模式和懶漢模式兩種實現(xiàn)方式。

應(yīng)用

  • 需要頻繁實例化然后銷毀的對象。 
  • 創(chuàng)建對象時耗時過多或者耗資源過多,但又經(jīng)常用到的對象。 
  • 有狀態(tài)的工具類對象。 
  • 頻繁訪問數(shù)據(jù)庫或文件的對象。

資源共享:

避免由于資源操作時導(dǎo)致的性能或損耗等。如日志文件,應(yīng)用配置等...

控制資源:

方便資源之間的互相通信。如線程池等...

實現(xiàn)

基本思想:

構(gòu)造函數(shù)為private私有屬性全局唯一公共訪問點來創(chuàng)建對象,函數(shù)為public屬性為了使用方便增加一個GC輔助類來釋放資源

餓漢模式

餓漢顧名思義就是很饑餓,迫不及待想吃東西,所以這種實現(xiàn)方式就是:無論以后對象會不會用到,程序一啟動時就創(chuàng)建一個唯一的實例對象

  • 優(yōu)點:簡單,線程安全
  • 缺點:可能導(dǎo)致進程啟動慢、多個單例對象實例啟動順序不可控
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	//提供靜態(tài)公有方法,可以類名加域名訪問,返回對象指針
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return m_instance;
	}
	class GCarbo
	{
	public:
		~GCarbo()
		{
			cout << "delete instance" << endl;
			if (nullptr != m_instance){
				delete Singleton::m_instance;
				m_instance = nullptr;
			}
		}
	};
private:
	//構(gòu)造函數(shù)私有
	Singleton(){
		cout << "Singleton" << endl;
	};
	//防拷貝
	//C++98
	//Singleton(Singleton const&);
	//Singleton& operator=(Singleton const&);
	//C++11
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
	static Singleton *m_instance;
	static GCarbo Carbo;
};
//在程序入口之前完成單例對象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton;
Singleton::GCarbo Carbo;
int main()
{
	cout << "main begin" << endl;
	//均無法創(chuàng)建實例
	//Singleton s;
	//Singleton* p = new Singleton;
	//調(diào)用共有靜態(tài)成員方法
	Singleton* p1= Singleton::GetInstance();
	Singleton* p2 = Singleton::GetInstance();
	if (p1 == p2){
		cout << "yes" << endl;
	}
	else{
		cout << "no" << endl;
	}
	system("pause");
	return 0;
}

運行結(jié)果:

整個程序運行過程中只調(diào)用了一次構(gòu)造函數(shù),并且兩個對象為同一個對象,程序結(jié)束后自動銷毀對象  

懶漢模式

相反,懶漢模式就是已經(jīng)懶到極致了,單例實例當(dāng)首次被引用時才將進行初始化,盡量使資源的利用最大化。如最常見的晚綁定、寫時拷貝技術(shù)都是這種實現(xiàn)方式。

  • 優(yōu)點:進程啟動無負載,多個單例實例啟動順序可控制
  • 缺點:復(fù)雜,線程不安全

但是這里要注意一點,不同于餓漢模式GetInstance全局公共訪問點僅僅返回一個類對象的指針,因為我們并沒有在類外實例化對象,所以我們要對對象的實例化進行判斷,沒有對象時才能創(chuàng)建一個對象

static Singleton* GetInstance()
{
	if (nullptr == m_instance){
			m_instance = new Singleton();
	}
	return m_instance;
}

完整代碼如下:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if (nullptr == m_instance){
			m_instance = new Singleton();
		}
		return m_instance;
	}
	//內(nèi)嵌垃圾回收類
	class CGarbo{
	public:
   		~CGarbo(){
			cout << "delete instance" << endl;
			if (nullptr != Singleton::m_instance){
				delete Singleton::m_instance;
				m_instance = nullptr;
			}
		}
	};
	//定義一個靜態(tài)成員變量,程序結(jié)束后自動調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)釋放單例對象
	static CGarbo Garbo;
private:
	//構(gòu)造函數(shù)私有
	Singleton() {
		printf("Singleton\n");
	};
	//防拷貝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	//單例對象指針
	static Singleton* m_instance;
};
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
int main()
{
	cout << "main begin" << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

運行結(jié)果:

  

這樣寫看似就可以了,兩個實例也創(chuàng)建了相同的對象,真的就可以了嘛?答案是否定的,現(xiàn)在我們在多線程環(huán)境下在對這段代碼進行演示

我們發(fā)現(xiàn),兩個線程竟然創(chuàng)建了兩個不同的對象出來,這顯然不符合我們單例模式的要求,為什么會出現(xiàn)這種原因呢,假如第一個線程剛剛判斷完 m_instance 為 nullptr 開始創(chuàng)建對象,對象還未創(chuàng)建完成,第二個線程也開始判斷,此時對象未創(chuàng)建完成,條件滿足,也會繼續(xù)執(zhí)行對象創(chuàng)建的代碼創(chuàng)建對象,所以創(chuàng)建出了兩個不同的對象出來。

可能的線程不安全情況舉例(數(shù)字表示按時間片程序的執(zhí)行順序):

情況一(線程不安全):

情況二(編譯器自動優(yōu)化,進行指令重排):

對于情況一解決辦法就是我們需要對創(chuàng)建對象的操作加互斥鎖,保證操作的原子性,由于加鎖后創(chuàng)建對象線程可能阻塞,所以這里我們?yōu)榱送瑫r保證效率和安全通常會選擇 Double-Check 方式加鎖

static Singleton* GetInstance()
	{
		//Double-Check方式加鎖保證效率和線程安全
		//保證效率
		if (nullptr == m_instance){
			//保證線程安全
			m_mtx.lock();
			//正常檢查
			if (nullptr == m_instance){
				m_instance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		return m_instance;
	}

但是情況二顯然程序還會出現(xiàn)問題,我們在 m_instance 對象前加上 volatile即可,禁止編譯器優(yōu)化,將變量從內(nèi)存中讀取,而不是從寄存器中讀取。

整個懶漢模式的完整代碼:

class Singleton
{
public:
	static volatile Singleton* GetInstance()
	{
		//Double-Check方式加鎖保證效率和線程安全
		//保證效率
		if (nullptr == m_instance){
			//保證線程安全
			m_mtx.lock();
			//正常檢查
			if (nullptr == m_instance){
				m_instance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		return m_instance;
	}
	//內(nèi)嵌垃圾回收類
	class CGarbo{
	public:
		~CGarbo(){
			cout << "delete instance" << endl;
			if (nullptr != Singleton::m_instance){
				delete Singleton::m_instance;
				m_instance = nullptr;
			}
		}
	};
	//定義一個靜態(tài)成員變量,程序結(jié)束后自動調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)釋放單例對象
	static CGarbo Garbo;
private:
	//構(gòu)造函數(shù)私有
	Singleton() {
		//cout原型operator <<() 連續(xù)的cout相當(dāng)于是函數(shù)的遞歸調(diào)用過程
		//cout.operator<<(c1);
		//由于線程的特性會導(dǎo)致輸出亂序
		printf("Singleton\n");
	};
	//防拷貝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	//單例對象指針
	static volatile Singleton* m_instance;
	static mutex m_mtx;
};
volatile Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;
void func(int n)
{
	printf("%d: %p\n", n, Singleton::GetInstance());
	//cout << Singleton::GetInstance() << " " << n << endl;
}
int main()
{
	cout << "main begin" << endl;
	thread t1(func, 1);
	thread t2(func, 2);
	t1.join();
	t2.join();
	printf("%p\n", Singleton::GetInstance());
	printf("%p\n", Singleton::GetInstance());
	system("pause");
	return 0;
}

結(jié)果完全沒有問題:

到此這篇關(guān)于c語言設(shè)計模式之單例模式中的餓漢與懶漢詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)c語言單例模式內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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