单例模式

c/c++

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2019-3-28

1.动机

  • 对于系统中的某些类来说,只有一个实例很重要,例如,一个系统中可以存在多个打印任务,但是只能有一个正在工作的任务;一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器。

  • 如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢?定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问,但不能防止我们实例化多个对象。全局变量在项目中是能不用就不用的,它是一个定时炸弹,是一个不安全隐患,特别是在多线程程序中,会有很多的不可预测性;同时,使用全局变量,也不符合面向对象的封装原则,所以,在纯面向对象的语言Java和C#中,就没有纯粹的全局变量。

  • 一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建,并且它可以提供一个访问该实例的方法

2.定义

  • 单例模式(Singleton Pattern):单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。

  • 单例模式的要点有三个:一是某个类只能有一个实例二是它必须自行创建这个实例三是它必须自行向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

3.结构

  • 在类中,要构造一个实例,就必须调用类的构造函数,如此,为了防止在外部调用类的构造函数而构造实例,需要将构造函数的访问权限标记为protected或private;最后,需要提供要给全局访问点,就需要在类中定义一个static函数,返回在类内部唯一构造的实例。

4.代码分析

实现一:

  • 这是最简单,也是最普遍的实现方式,也是现在网上各个博客中记述的实现方式,但是,这种实现方式,有很多问题,比如:没有考虑到多线程的问题,在多线程的情况下,就可能创建多个Singleton实例。

#include <iostream>
using namespace std;

class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        if (m_Instance == NULL )
        {
            m_Instance = new Singleton ();
        }
        return m_Instance;
    }

    static void DestoryInstance()
    {
        if (m_Instance != NULL )
        {
            delete m_Instance;
            m_Instance = NULL ;
        }
    }

    // This is just a operation example
    int GetTest()
    {
        return m_Test;
    }

private:
    Singleton(){ m_Test = 10; }
    static Singleton *m_Instance;
    int m_Test;
};

Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;

int main(int argc , char *argv [])
{
    Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;

    Singleton ::DestoryInstance();
    return 0;
}

实现二:

  • 此处进行了两次m_Instance ==NULL的判断,是借鉴了Java的单例模式实现时,使用的所谓的“双检锁”机制。因为进行一次加锁和解锁是需要付出对应的代价的,而进行两次判断,就可以避免多次加锁与解锁操作,同时也保证了线程安全。但是,这种实现方法在平时的项目开发中用的很好,也没有什么问题?但是,如果进行大数据的操作,加锁操作将成为一个性能的瓶颈。

#include <iostream>
using namespace std;

class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        if (m_Instance == NULL )
        {
            Lock(); // C++没有直接的Lock操作,请使用其它库的Lock,比如Boost,此处仅为了说明
            if (m_Instance == NULL )
            {
                m_Instance = new Singleton ();
            }
            UnLock(); // C++没有直接的Lock操作,请使用其它库的Lock,比如Boost,此处仅为了说明
        }
        return m_Instance;
    }

    static void DestoryInstance()
    {
        if (m_Instance != NULL )
        {
            delete m_Instance;
            m_Instance = NULL ;
        }
    }

    int GetTest()
    {
        return m_Test;
    }

private:
    Singleton(){ m_Test = 0; }
    static Singleton *m_Instance;
    int m_Test;
};

Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;

int main(int argc , char *argv [])
{
    Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
    Singleton ::DestoryInstance();

    return 0;
}

实现三:懒汉模式 (局部静态变量-最佳版)

  • 在 GetInstance() 函数内定义局部静态变量的好处是, Singleton 的构造函数只会在第一次调用 GetInstance()时被初始化,保证了成员变量和 Singleton 本身的初始化顺序.

#include <iostream>
using namespace std;

class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        static Singleton m_Instance;
        return &m_Instance;
    }

    int GetTest()
    {
        return m_Test++;
    }

private:
    Singleton(){ m_Test = 10; };
    int m_Test;
};

int main(int argc , char *argv [])
{
    Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;

    singletonObj = Singleton ::GetInstance();
    cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
}

Note:

  • 任意两个 Singleton 类的构造函数不能相互引用对方的实例, 否则会导致程序崩溃. 如:

ASingleton& ASingleton::Instance() {
    const BSingleton& b = BSingleton::Instance();
    static ASingleton theSingleton;
    return theSingleton;
}

BSingleton& BSingleton::Instance() {
    const ASingleton & b = ASingleton::Instance();
    static BSingleton theSingleton;
    return theSingleton;
}
  • 在多线程的应用场合下必须小心使用. 如果唯一实例尚未创建时, 有两个线程同时调用创建方法, 且它们均没有检测到唯一实例的存在,便会同时各自创建一个实例, 这样就有两个实例被构造出来, 从而违反了单例模式中实例唯一的原则.解决这个问题的办法是为指示类是否已经实例化的变量提供一个互斥锁 (虽然这样会降低效率).

实现四:

  • 在程序运行结束时,系统会调用Singleton的静态成员GC的析构函数,该析构函数会进行资源的释放,而这种资源的释放方式是在程序员“不知道”的情况下进行的,而程序员不用特别的去关心,使用单例模式的代码时,不必关心资源的释放。由于程序在结束的时候,系统会自动析构所有的全局变量,实际上,系统也会析构所有类的静态成员变量,就像这些静态变量是全局变量一样。我们知道,静态变量和全局变量在内存中,都是存储在静态存储区的,所以在析构时,是同等对待的。

  • 由于此处使用了一个内部GC类,而该类的作用就是用来释放资源,而这种使用技巧在C++中是广泛存在的,RAII(Resource Acquisition Is Initialization)

#include <iostream>
using namespace std;

class Singleton
{
public:
    static Singleton *GetInstance()
    {
        return m_Instance;
    }

    int GetTest()
    {
        return m_Test++;
    }

private:
    Singleton(){ m_Test = 10; }
    static Singleton *m_Instance;
    int m_Test;

    // This is important
    class GC
    {
    public:
        ~GC()
        {
            // We can destory all the resouce here, eg:db connector, file handle and so on
            if (m_Instance != NULL)
            {
                cout << "Here is the test" << endl;
                delete m_Instance;
                m_Instance = NULL;
            }
        }
    };
    static GC gc;
};

Singleton* Singleton::m_Instance = new Singleton();
Singleton::GC Singleton::gc;

int main()
{
    
    Singleton *singletonObj1 = Singleton::GetInstance();
    cout << singletonObj1->GetTest() << endl;

    Singleton *singletonObj2 = Singleton::GetInstance();
    cout << singletonObj2->GetTest() << endl;

    Singleton *singletonObj3 = Singleton::GetInstance();
    cout << singletonObj3->GetTest() << endl;

    cout << singletonObj1 << " " << singletonObj2 << " " << singletonObj3 << endl;
    

    system("pause");
    return 0;
}

5.分析

  • 单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。单例模式包含的角色只有一个,就是单例类——Singleton。单例类拥有一个私有构造函数,确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外,该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法,该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己,然后存储在静态成员变量中,以确保只有一个实例被创建。

  • 在单例模式的实现过程中,需要注意如下三点:单例类的构造函数为私有提供一个自身的静态私有成员变量提供一个公有的静态工厂方法

6.优点

  • 提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例,所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它,并为设计及开发团队提供了共享的概念

  • 由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以节约系统资源,对于一些需要频繁创建和销毁的对象,单例模式无疑可以提高系统的性能。

  • 允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展,使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

7.缺点

  • 由于单例模式中没有抽象层,因此单例类的扩展有很大的困难

  • 单例类的职责过重,在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色,提供了工厂方法,同时又充当了产品角色,包含一些业务方法,将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。

  • 滥用单例将带来一些负面问题,如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类,可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出;现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术,因此,如果实例化的对象长时间不被利用,系统会认为它是垃圾,会自动销毁并回收资源,下次利用时又将重新实例化,这将导致对象状态的丢失。

8.使用场景

  • 系统只需要一个实例对象,如系统要求提供一个唯一的序列号生成器,或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。

  • 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点,除了该公共访问点,不能通过其他途径访问该实例。

  • 在一个系统中要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来,如果一个类可以有几个实例共存,就需要对单例模式进行改进,使之成为多例模式。

9.总结

  • 单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。单例模式的要点有三个:一是某个类只能有一个实例;二是它必须自行创建这个实例;三是它必须自行向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式。

  • 单例模式只包含一个单例角色:在单例类的内部实现只生成一个实例,同时它提供一个静态的工厂方法,让客户可以使用它的唯一实例;为了防止在外部对其实例化,将其构造函数设计为私有。

  • 单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。单例类拥有一个私有构造函数,确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外,该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法。该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己,然后存储在静态成员变量中,以确保只有一个实例被创建。

  • 单例模式的主要优点在于提供了对唯一实例的受控访问并可以节约系统资源;其主要缺点在于因为缺少抽象层而难以扩展,且单例类职责过重。

  • 单例模式适用情况包括:系统只需要一个实例对象;客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点。