单例模式——C++版

单例模式是什么？？

单例模式（Singleton）是一种常用的设计模式，它能够保证系统中应用该模式的类只有一个实例。

为什么要存在单例模式？？

在很多场景下，我们都希望一个类只能创建出唯一的对象，例如windows下的任务管理器，我们就只能打开一个。若不使用单例模式，就会在多次打开时弹出多个窗口，重复对象，浪费内存。而且要是多个窗口的状态不一致，也会造成误解。因此保证某个对象只能有一个实例这一点很重要。

单例模式的特点：

1.一个类只能有一个实例
2.该类必须自己创建该实例
3.必须向整个系统提供该实例

对应它的三个特点，我们需要做的是：

构造函数声明为私有的
该类中要包含该类的静态私有对象
提供一个共有的静态成员函数来创建或获取它本身的私有对象

两种实现方式（饿汉模式&&懒汉模式）

饿汉模式

利用静态成员变量初始化在调main函数之前的特性实现，对象定义后，数据立即加载到内存。
以空间换取时间
这种方式没有加锁，没有双重检查，也不用考虑异常捕获造成的内存泄漏。

//------------------------hangry_pattern-------------------------------------
//通过类模板来实现
template<class T>
class Singleton_hangry
{public://该函数用来获取唯一实例static T* GetInstance(){assert(_inst);return _inst;}protected://构造函数定义为保护的，在其派生类中也可见Singleton_hangry(){};private://由于静态成员函数不能调用非静态的成员变量，所以声明成静态的类对象指针static T* _inst;//拷贝构造和运算符重载函数定义为私有，目的是防拷贝Singleton_hangry(const T &);Singleton_hangry& operator=(const T&);
};//静态成员变量要在类外进行初始化
//初始化时创建唯一实例，在main函数调用前就会执行
//空间换时间的做法
template<class T>
T* Singleton_hangry<T>::_inst=new T;

测试代码：

//-------------------TestCode----------------------------------------------------
int main()
{int* p1=Singleton_hangry<int>::GetInstance();int* p2=Singleton_hangry<int>::GetInstance();cout<<"p1==>"<<p1<<endl;cout<<"p2==>"<<p2<<endl;return 0;
}

执行结果：

p1==>0x10cec20
p2==>0x10cec20

懒汉模式

这种模式是在执行时，首次调用获取唯一实例的接口函数时才会加载内存，延时加载。

//---------------------------lazy_pattern------------------
template<class T>
class Singleton_lazy
{public://创建或获取唯一实例static T* GetInstance(){if(_inst==NULL)_inst=new T;return _inst;}protected://构造函数定义成保护为了在继承时派生类可见Singleton_lazy(){};private://唯一实例static T* _inst;//防拷贝Singleton_lazy(const T&);T& operator=(const T&);
};//main函数执行前先将该实例初始化为空，运行时再加载
template<class T>
T* Singleton_lazy<T>::_inst=NULL;

测试代码：

//-----------------------------TestCode------------------------
int main()
{char* p1=Singleton_lazy<char>::GetInstance();char* p2=Singleton_lazy<char>::GetInstance();cout<<"p1----->"<<(void*)p1<<endl;cout<<"p2----->"<<(void*)p2<<endl;return 0;
}

执行结果：

p1----->0x16bbc20
p2----->0x16bbc20

这样的实现方式其实是线程不安全的，因为在判断_inst是否为空，以及使用new申请空间这两步不是原子操作，在中间可能有其他线程进来，导致创建出来两个实例，不符合我们的期望。基于此，要让它成为线程安全函数就需要对其进行加锁

static T* GetInstance(){pthread_mutex_lock(&lock);if(_inst==NULL){_inst=new T;}pthread_mutex_unlock(&lock);return _inst}

在每一次对_inst进行判空时都要上锁，这样的加锁方式使性能大大下降，显然不满足单例模式高效的特点。因此，对其进行优化，采用双重检查的方式实现。

完整代码：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
using namespace std;//--------------------lazy_safe_pattern------------------
template<class T>
class Singleton_lazy
{public://初始化互斥锁static pthread_mutex_t lock;static T* GetInstance(){if(_inst==NULL){pthread_mutex_lock(&lock);if(_inst==NULL){_inst=new T;}pthread_mutex_unlock(&lock);}return _inst;}protected://构造函数定义成保护为了在继承时派生类可见Singleton_lazy(){};private://唯一实例static T* _inst;//防拷贝Singleton_lazy(const T&);T& operator=(const T&);
};//main函数执行前先将该实例初始化为空，运行时再加载
template<class T>
T* Singleton_lazy<T>::_inst=NULL;
template<class T>
pthread_mutex_t Singleton_lazy<T>::lock;//-----------------------------TestCode------------------------
int main()
{char* p1=Singleton_lazy<char>::GetInstance();char* p2=Singleton_lazy<char>::GetInstance();cout<<"p1----->"<<(void*)p1<<endl;cout<<"p2----->"<<(void*)p2<<endl;return 0;
}

测试结果：

p1----->0x10cbc20
p2----->0x10cbc20

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