C++單例模式原理與實現

今天有一個同學問我單例模式的實現方式，就順手寫篇文章記錄一下。

單例模式，可以說設計模式中最常應用的一種模式了，據說也是面試官最喜歡的題目。但是如果沒有學過設計模式的人，可能不會想到要去應用單例模式，面對單例模式適用的情況，可能會優先考慮使用全局或者靜態變量的方式，這樣比較簡單，也是沒學過設計模式的人所能想到的最簡單的方式了。

一般情況下，我們建立的一些類是屬於工具性質的，基本不用存儲太多的跟自身有關的數據，在這種情況下，每次都去new一個對象，即增加了開銷，也使得代碼更加臃腫。其實，我們只需要一個實例對象就可以。如果採用全局或者靜態變量的方式，會影響封裝性，難以保證別的代碼不會對全局變量造成影響。

考慮到這些需要，我們將默認的構造函數聲明爲私有的，這樣就不會被外部所new了，甚至可以將析構函數也聲明爲私有的，這樣就只有自己能夠刪除自己了。在Java和C#這樣純的面向對象的語言中，單例模式非常好實現，直接就可以在靜態區初始化instance，然後通過getInstance返回，這種就被稱爲餓漢式單例類。也有些寫法是在getInstance中new instance然後返回，這種就被稱爲懶漢式單例類，但這涉及到第一次getInstance的一個判斷問題。

下面的實現過程其實與什麼語言沒有太大關係，關鍵是思想，什麼語言都一樣。

單線程中：

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Singleton* getInstance() {     if (instance == NULL)         instance = new Singleton();       return instance; }

這樣就可以了，保證只取得了一個實例。但是在多線程的環境下卻不行了，因爲很可能兩個線程同時運行到if (instance == NULL)這一句，導致可能會產生兩個實例。於是就要在代碼中加鎖。

Singleton* getInstance()
{
    lock();
    if (instance == NULL)
    {
       instance = new Singleton();
    }
    unlock();

    return instance;
}

但這樣寫的話，會稍稍映像性能，因爲每次判斷是否爲空都需要被鎖定，如果有很多線程的話，就愛會造成大量線程的阻塞。於是大神們又想出了雙重鎖定。

Singleton* getInstance()
{
    if (instance == NULL)
    {
	lock();
    	if (instance == NULL)
    	{
       		instance = new Singleton();
    	}
    	unlock();
    }

    return instance;
}

這樣只夠極低的機率下，通過越過了if (instance == NULL)的線程纔會有進入鎖定臨界區的可能性，這種機率還是比較低的，不會阻塞太多的線程，但爲了防止一個線程進入臨界區創建實例，另外的線程也進去臨界區創建實例，又加上了一道防禦if (instance == NULL)，這樣就確保不會重複創建了。

下面的圖片清晰顯示：

 

常用的場景

單例模式常常與工廠模式結合使用，因爲工廠只需要創建產品實例就可以了，在多線程的環境下也不會造成任何的衝突，因此只需要一個工廠實例就可以了。

 

優點

1.減少了時間和空間的開銷（new實例的開銷）。

2.提高了封裝性，使得外部不易改動實例。

 

缺點

1.懶漢式是以時間換空間的方式。

2.餓漢式是以空間換時間的方式。

C++實現代碼

#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_


class Singleton{
public:
	static Singleton* getInstance();

private:
	Singleton();
	//把複製構造函數和=操作符也設爲私有,防止被複制
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);

	static Singleton* instance;
};

#endif

 

#include "Singleton.h"


Singleton::Singleton(){

}


Singleton::Singleton(const Singleton&){

}


Singleton& Singleton::operator=(const Singleton&){

}


//在此處初始化
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
Singleton* Singleton::getInstance(){
	return instance;
}

 

#include "Singleton.h"
#include <stdio.h>


int main(){
	Singleton* singleton1 = Singleton::getInstance();
	Singleton* singleton2 = Singleton::getInstance();

	if (singleton1 == singleton2)
		fprintf(stderr,"singleton1 = singleton2\n");

	return 0;
}

採用g++編譯：

g++ -o client Singleton.cpp client.cpp

 

常用的場景

單例模式常常與工廠模式結合使用，因爲工廠只需要創建產品實例就可以了，在多線程的環境下也不會造成任何的衝突，因此只需要一個工廠實例就可以了。

 

優點

1.減少了時間和空間的開銷（new實例的開銷）。

2.提高了封裝性，使得外部不易改動實例。

 

缺點

1.懶漢式是以時間換空間的方式。

2.餓漢式是以空間換時間的方式。