C++ 單例模式

什么是單例模式？

　　一種創建型的設計模式，該模式的主要目的就是確保某個類有且僅有一個實例存在。

 

單例模式有三個關鍵點：

　　1、單例類只能有一個實例。

　　　　為此，單例類只能提供私有的構造函數，即保證不能隨意創建該類的實例。
　　2、單例類必須自己創建自己的唯一實例。

　　　　因為構造函數是私有的，其他對象不能創建單例類的實例，只能是單例類自己來創建。
　　3、單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

　　　　外界需要獲取並使用這個單例類的實例，但是由於該類的構造函數是私有的，外界無法通過new去獲取它的實例，那么就必須提供一個靜態的公有方法，該方法創建或者獲取它本身的靜態私有對象並返回。

 

單例模式有兩種實現方式：

　　懶漢式：故名思義，懶漢很懶只有餓了才會去找吃的。也就是說，只有在需要使用的時候才會去實例化。

　　餓漢式：餓了肯定要飢不擇食。在單例類定義的時候就進行實例化。

 

懶漢式單例模式

//Singleton.h
#pragma once

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

private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);

    static Singleton* instance_;
};

//Singleton.cpp
#include <iostream>
#include "Singleton.h"

Singleton* Singleton::instance_ = NULL;

Singleton::Singleton() {
}

Singleton::Singleton(const Singleton&) {
}

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

Singleton *
Singleton::getInstance() {
    if (NULL == instance_) {
        instance_ = new Singleton();
    }

    return instance_;
}

　　（1）默認構造函數是私有的，外部不能進行單例類的實例化；

　　（2）拷貝構造函數和賦值運算符也是私有的，以禁止拷貝和賦值；

　　（3）具有一個私有的靜態成員指針 instance_，指向唯一的實例；

　　（4）提供一個公有的靜態成員函數用於返回實例，如果實例為NULL，則進行實例化。

 

餓漢式單例模式

//Singleton.h
#pragma once

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

private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);

    static Singleton* instance_;
};

//Singleton.cpp
#include <iostream>
#include "Singleton.h"

Singleton* Singleton::instance_ = new Singleton();

Singleton::Singleton() {
}

Singleton::Singleton(const Singleton&) {
}

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

Singleton *
Singleton::getInstance() {
    return instance_;
}

 　　與懶漢式單例模式不同之處是，在全局作用域進行單例類的實例化，並用此實例初始化單例類的靜態成員指針instance_。

 

線程安全問題

　　懶漢式：如果有兩個線程同時獲取單例類的實例，都發現實例不存在，因此都會進行實例化，就會產生兩個實例都要賦值給instance_，這是嚴重的錯誤。為了解決這個問題，就要考慮加鎖。

　　線程安全的懶漢式，修改獲取實例的方法如下：

Singleton *
Singleton::getInstance() {
    lock();        //上鎖
    if (NULL == instance_) {
        instance_ = new Singleton();
    }
    unlock();

    return instance_;
}

　　但這個獲取實例的方法存在性能問題，每次獲取實例的時候都要先上鎖，之后再解鎖，如果有很多線程的話，可能會造成大量線程的阻塞。改進后的實現如下：

Singleton *
Singleton::getInstance() {
    if (NULL == instance_) {
        lock();        //上鎖
        if (NULL == instance_) {
            instance_ = new Singleton();
        }
        unlock();
    }

    return instance_;
}

　　絕大多數情況下，獲取實例時都是直接返回實例，這時候不會涉及到上鎖、解鎖的問題。只有在沒有實例的時候，才會涉及上鎖、解鎖，這種情況是很少的。這個獲取實例的方法對性能幾乎無影響。

　　餓漢式：程序運行初期就進行了單例類實例化，不存在上述的線程安全問題。

 

對象釋放問題

 　　上邊的程序中只有new，卻沒有delete，也就是說只有內存申請而沒有內存釋放，會不會有內存泄漏？

　　答：一般情況下，單例類的實例都是常駐內存的，一直存在於進程的生命周期，因此不需要手動釋放。如果的確需要釋放實例占用的內存，一定不能在單例類的析構函數中進行delete操作，這樣會造成無限循環，可以考慮增加一個destroy方法用於釋放內存，或者在單例類中定義一個內嵌的垃圾回收類，詳情請參考最后兩個參考鏈接。

 

參考與鳴謝：

　　https://www.cnblogs.com/cxjchen/p/3148582.html
　　https://www.cnblogs.com/qiaoconglovelife/p/5851163.html
　　https://blog.csdn.net/stpeace/article/details/68953096
　　https://blog.csdn.net/zhanghuaichao/article/details/79459130
　　https://blog.csdn.net/chenyingying_/article/details/83029600
　　https://www.cnblogs.com/xzy1210/p/3849253.html