C++ 单例模式学习(Singleton)

最近在学习设计模式，学到单例模式，觉得这一讲讲的挺好的，整理一下，一起学习学习。单例模式可能大家都已经非常熟悉了。

单例模式属于“对象性能”模式

“对象性能”模式

面向对象很好地解决了“抽象”的问题，但是不可避免地要付出一定的代价。对于通常情况来讲，面向对象的成本大都可以忽略不计。但是某些情况，面向对象所带来的成本必须谨慎处理。

典型模式

Singleton

Flyweight(享元模式)

Singleton 单例模式

动机

l在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率

l如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例？

l这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任

通过代码示例来看看：

class Singleton{
private:// 防止外部构造。Singleton() = default;// 防止拷贝和赋值。Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;Singleton(const Singleton& singleton2) = delete;
public:static Singleton* getInstance();static Singleton* m_instance;
};Singleton* Singleton::m_instance=nullptr;
//线程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() {if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}return m_instance;
}

很明显上面这种方法存在线程安全稳定，那么通常会想到用锁，比如：

//线程安全版本，但锁的代价过高
Singleton* Singleton::getInstance() {Lock lock;if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}return m_instance;
}

但是用锁的代价太高了，因此又出现了Double-Checked Locking Pattern (DCLP)，双检查锁

//双检查锁，但由于内存读写reorder不安全
Singleton* Singleton::getInstance() {if(m_instance==nullptr){Lock lock;if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}}return m_instance;
}

Double-Checked Locking Pattern (DCLP)，使用两次判断来解决线程安全问题并且提高效率。但是，在很久之后，发现Double-Checked Locking Pattern (DCLP)实际上也是存在严重的线程安全问题。

Scott Meyers and 和Alexandrescu写的一篇文章里面专门分析了这种解决方案的问题C++ and the Perils of Double-Checked Locking

文章链接如下：

https://www.aristeia.com/Papers/DDJ_Jul_Aug_2004_revised.pdf

双检查锁，但由于内存读写reorder不安全

reorder不安全指的是什么呢，我们先看下面代码：

instance_ = new Singleton;

这条语句实际上做了三件事，第一：申请一块内存，第二：调用构造函数，第三：将该对象内存地址赋给instance_。

    if (instance_ == nullptr) {  \\ 语句1std::lock_guard lock(mutex_);if (instance_ == nullptr) {instance_ = new Singleton;  \\ 语句2}}

但由于编译器可能先将该内存地址赋给instance_，然后再调用构造函数。那么，如果线程A恰好申请完内存，并且将内存地址赋给instance_，但是还没调用构造函数的时候。线程B执行到语句1，判断instance_此时不为空，则返回该变量，然后调用该对象的函数，但是线程A使用的对象还没有进行构造。

不过，现在C++11 提供了解决加锁导致效率问题，如下：

//C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)
std::atomicSingleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;Singleton* Singleton::getInstance() {Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);//获取内存fenceif (tmp == nullptr) {std::lock_guard lock(m_mutex);tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);if (tmp == nullptr) {tmp = new Singleton;std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);//释放内存fencem_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);}}return tmp;
}

在C++11中还提供一种方法，使得函数可以线程安全的只调用一次。即使用std::call_once和std::once_flag。std::call_once是一种lazy load的很简单易用的机制。

使用std::call_once实现单例

实现代码如下：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>class Singleton {
public:static Singleton& GetInstance() {static std::once_flag s_flag;std::call_once(s_flag, [&]() {instance_.reset(new Singleton);});return *instance_;}~Singleton() = default;private:Singleton() = default;Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;private:static std::unique_ptr<Singleton> instance_;
};std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance_;int main() {Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();Singleton& s2 = Singleton::GetInstance();return 0;
}

单例模式的定义

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点

结构

要点总结

lSingleton 模式中的实例构造器可以设置为protected 以允许子类派生。

lSingleton 模式一般不要支持拷贝构造方法和 clone 接口，因为这有可能导致多个对象实例，违背 Singleton 模式的初衷。

l如何实现多线程环境下安全的 Singleton ，注意对双检查锁的正确实现。

C++ 单例模式学习(Singleton)相关推荐

设计模式学习笔记十：单例模式（Singleton Pattern）
1.概述单例模式(Singleton Pattern)又称单件模式,单例模式保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问的他的全局访问点.通常我们可以让一个全局变量使得一个对象被访问,但它不能防止你 ...
java设计模式学习 ----- 单例模式（Singleton）
单例模式(Singleton) 单例对象(Singleton)是一种经常使用的设计模式. 在Java应用中,单例对象能保证在一个JVM中,该对象仅仅有一个实例存在.单例模式也分三种:懒汉式单例.饿汉式 ...
菜鸟的学习之路（6） — 设计模式之单例模式（Singleton）
一.单例模式(Singleton): java有常用的23种设计模式,而单例模式(Singleton)是其中最简单的一种. 单例模式:也就是表示一个类只会唯一的一个对象. 1. 当对于资源不密集,配置 ...
设计模式——3单例模式（Singleton）
3.单例模式(Singleton) 单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式.在Java应用中,单例对象能保证在一个JVM中,该对象只有一个实例存在.这样的模式有几个好处: 1.某些类创建比 ...
Java经典设计模式-创建型模式-单例模式（Singleton）
2019独角兽企业重金招聘Python工程师标准>>> 单例模式(Singleton) 单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式.在Java应用中,单例对象能保证在一个JV ...
那些年，我们一起写的设计模式（一）——单例模式（Singleton Pattern）
题记 *度娘上对设计模式(Design pattern)的定义是:"一套被反复使用.多数人知晓的.经过分类编目的.代码设计经验的总结."它由著名的"四人帮",又 ...
单例模式（Singleton）的6种实现
单例模式(Singleton)的6种实现 1.1.1 摘要在我们日常的工作中经常需要在应用程序中保持一个唯一的实例,如:IO处理,数据库操作等,由于这些对象都要占用重要的系统资源,所以我们必须限制这 ...
【面试系列】6种单例模式（Singleton）实现方法比较
转载文章,文章经 LiteCodes 授权,转载至本博客. 原文地址:[面试系列]6种单例模式(Singleton)实现方法比较下述代码均省略了 Singleton 类的业务代码段,仅表现作为单例所 ...
单例模式（Singleton ）的几种用法以及使用条件
2019独角兽企业重金招聘Python工程师标准>>> 单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一.这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了 ...

C++ 单例模式学习(Singleton)

C++ 单例模式学习(Singleton)相关推荐

最新文章

热门文章