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标题: 设计模式之单例模式 [打印本页]

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作者: 曹旭辉    时间: 2024-6-22 06:35
标题: 设计模式之单例模式
何谓单例模式？

在一个项目中，全局范围内，某个类的实例有且仅有一个，通过这个唯一实例向其他模块提供数据的全局访问，这种模式就是单例模式。一个典范应用就是任务队列。
创建一个实例我们有如下方法：

• 构造函数
  
• 拷贝构造函数
  
• 赋值构造函数
  
• 移动构造函数
  
• 移动赋值函数
  

我们只必要一个实例， 那么就要限制获取实例的途径：

• 将构造函数私有化，在类内部只调用一次。
  
• 其他函数声明用 = delete 修饰
  

注意：

• 在类外部不能调用构造函数，所以在类内部创建的这个唯一的对象必须是静态的，如许就可以通过类名来访问了，为了不破坏类的封装，把这个静态对象的访问权限设置为私有的
  
• 在类中，静态成员函数才能访问其静态成员变量，所以给这个单例类提供一个静态函数用于得到这个静态的单例对象
  

单例模式的类的示例代码

因此，界说一个单例模式的类的示例代码如下：

1. // 定义一个单例模式的类
2. class Singleton {
3. public:
4.         Singleton(const Singleton& oth) = delete;
5.         Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;
6.         Singleton(Singleton&& oth) = delete;
7.         Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;
9.         static Singleton* get_instance();
10. private:
11.         Singleton() = default;
12.         static Singleton* instance_;
13. }

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饿汉模式

所谓饿汉模式是在类加载的时间立即进行实例化，如许就得到了唯一的实例。
注意：类的静态成员变量在利用之前必须在类的外部进行初始化。

1. class Singleton {
2. public:
3.         Singleton(const Singleton& oth) = delete;
4.         Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;
5.         Singleton(Singleton&& oth) = delete;
6.         Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;
8.         static Singleton* get_instance() {
9.                 return instance_;
10.         }
11. private:
12.         Singleton() = default;
13.         static Singleton* instance_;
14. }
16. // 初始化
17. Singleton* Singleton::instance_ = new Singleton;
19. int main() {
20.         ......
21.         Singleton* ins = Singleton::get_instance();
22.         ......
23. }

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懒汉模式

懒汉模式一如其名“懒得不行”，在类加载的时间并不进行对象的实例化，而是比及必要的时间再进行实例化。这可能会引发线程安全问题！
下面这段代码在单线程下没有问题，但在多线程环境下将出现线程安全问题。

1. class Singleton {
2. public:
3.         Singleton(const Singleton& oth) = delete;
4.         Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;
5.         Singleton(Singleton&& oth) = delete;
6.         Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;
8.         static Singleton* get_instance() {
9.                 if (instance_ == nulllptr) {
10.                         instance_ = new Singleton;
11.                 }
12.                 return instance_;
13.         }
14. private:
15.         Singleton() = default;
16.         static Singleton* instance_;
17. }
18. // 类加载时并不进行实例化
19. Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
21. int main() {
22.         ......
23.         // 此时进行实例化
24.         Singleton* ins = Singleton::get_instance();
25.         ......
26. }

复制代码

试想在多线程环境下，同时有两个线程调用了 get_instance()，它们看到的instance_ 都是nullptr，那么就会创建出两个实例！怎么解决呢？
互斥锁保护

1. class Singleton {
2. public:
3.         Singleton(const Singleton& oth) = delete;
4.         Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;
5.         Singleton(Singleton&& oth) = delete;
6.         Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;
8.         static Singleton* get_instance() {
9.                 m_instance_.lock();
10.                 if (instance_ == nulllptr) {
11.                         instance_ = new Singleton;
12.                 }
13.                 m_instance_.unlock();
14.                 return instance_;
15.         }
16. private:
17.         Singleton() = default;
18.         static Singleton* instance_;
19.         static mutex m_instance_;
20. }
21. // 类加载时并不进行实例化
22. Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
23. mutex Singleton::m_instance_;

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这种简单利用互斥锁虽然可以解决线程安全问题，但是获取实例都必要上锁查抄（不仅第一次创建实例时必要上锁，纵然已经创建了实例仍然必要上锁查抄），效率实在低下！
双重查抄锁定

通过两个嵌套的if来判定单例对象是否为空的操作叫做双重查抄锁定
我们改进的思绪就是在加锁、解锁的代码块外层再添加一个判定，如许当任务队列的实例被创建出来之后，访问这个对象的线程就不会再实行加锁和解锁操作了。

1. class Singleton {
2. public:
3.         Singleton(const Singleton& oth) = delete;
4.         Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;
5.         Singleton(Singleton&& oth) = delete;
6.         Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;
8.         static Singleton* get_instance() {
9.                 if (instance_ == nulllptr) {
10.                         m_instance_.lock();
11.                         if (instance_ == nullptr) {
12.                                 instance_ = new Singleton;
13.                         }
14.                         m_instance_.unlock();
15.                 }
16.                 return instance_;
17.         }
18. private:
19.         Singleton() = default;
20.         static Singleton* instance_;
21.         static mutex m_instance_;
22. }
23. // 类加载时并不进行实例化
24. Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
25. mutex Singleton::m_instance_;

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万万没想到——可能会利用未创建好的实例？

到此仍然没有大功告成，因为万万没想到呆板指令会造成贫苦！
假设线程A实行到instance_ = new Singleton，线程B实行到第一个if (instance_ == nulllptr)。
instance_ = new Singleton在实行过程中对应的呆板指令可能会被重新排序。
正常过程如下：

• 分配内存
  
• 构造对象
  
• 指针指向分配的内存
  

但是被重新排序以后实行顺序可能会酿成如许：

• 分配内存
  
• 指针指向分配的内存。
  
• 构造对象
  

线程B在进行指针判定的时间instance_ 指针是不为空的，但这个指针指向的内存却没有被初始化！
怎么解决呢？利用atomic 原子操作（不可中断的操作）。

1. class Singleton {
2. public:
3.         Singleton(const Singleton& oth) = delete;
4.         Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;
5.         Singleton(Singleton&& oth) = delete;
6.         Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;
8.         static Singleton* get_instance() {
9.                 Singleton* obj = instance_.load();
10.                 if (obj== nulllptr) {
11.                         m_instance_.lock();
12.                         obj = instance_.load();
13.                         if (obj == nullptr) {
14.                                 obj = new Singleton();
15.                                 instance_.store(obj);
16.                         }
17.                         m_instance_.unlock();
18.                 }
19.                 return obj;
20.         }
21. private:
22.         Singleton() = default;
23.         static mutex m_instance_;
24.         static atomic<Singleton*> instance_;
25. }
26. atomic<Singleton*> Singleton::instance_;
27. mutex Singleton::m_instance_;

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