C++单例模式实现

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2024-04-17 23:37 70阅读 0赞

## 单例模式 ##

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> 单例模式：要求类只有一个对象实例，数据库连接池、线程池以及Windows任务管理器都是单例模式的应用。

那么如何去实现一个单例模式呢？C++中有5种实现的方式，首先从最简单说起

**1. 单线程实现**

常规写法

class Singleton{
        
    public:
    	static Singleton* getInstance()
    	{
        
    		if(_instance == nullptr)
    			_instance = new Singleton();
    		return _instance;
    	}
    private:
    	Singleton() = default;
    	Singleton* _instance;
    };

> 单线程种此写法没有任何问题，但是不适用多线程环境。 假如有两个线程A和线程B：  
> 线程A先获得执行权，执行Singleton的getInstance获取实例\_instance。发现\_instance == nullptr，  
> 则线程A开始准备执行new Singleton()操作。该操作细分为三步： 1、Singleton的对象开辟内存空间；  
> 2、在开辟的内存空间中构造对象； 3、完成构造之后用\_instance指针指向内存空间。  
> **但是在多线程环境中，A线程可能会在即将执行这三布之前被挂起，线程B获得cpu的执行权，这就导致 线程B中\_instance仍旧为nullptr，B执行new Singleton()操作。B执行完成后CPU执行权返回给A，A继续  
> 执行，A会继续执行new Singleton()**

**2. 多线程实现**

#include<mutex>
    using namespace std;
    mutex mt;
    class Singleton {
        
    private:
    	static Singleton* _instance;
    	Singleton() {
        }
    public:
    	static Singleton* getInstance() {
        
    		mt.lock(); // 加锁
    		if (_instance == nullptr)
    			_instance = new Singleton();
    		mt.unlock(); // 解锁
    		return _instance;
    	}
    };
    Singleton* Singleton::_instance = nullptr;

> 虽然加锁可以解决多线程下多次创建\_instance的问题，但是每执行getInstance函数都需要进行加锁判断，消耗资源

**3. 双检查锁**

#include<mutex>
    using namespace std;
    mutex mt;
    class Singleton {
        
    private:
    	static Singleton* _instance;
    	Singleton() {
        }
    public:
    	static Singleton* getInstance() {
        
    		if (_instance == nullptr) {
        
    			mt.lock(); // 解锁
    			if (_instance == nullptr)
    				_instance = new Singleton();
    			mt.unlock(); // 加锁
    		}
    		return _instance;
    	}
    };

> 如果实例已经创建，就不需要同步。相反开始同步线程 但还是有问题，如\_instance = new Singleton();  
> 这句的执行同样有三步操作 1、为Singleton对象开辟空间 2、在分配的空间中构造Singleton的对象  
> 3、将\_instance指向分配的空间  
> **在实际编译器执行中，这三步并不是严格按照1、2、3顺序执行，而是可能 发生其中某一步先执行的情况。** 如执行顺序为：1->3->2，这样就造成线程不安全 如： 线程A执行实例化操作，但是在执行完1、2步骤的时候意外挂起，此时线程B开始执行  
> 由于\_instance指向了一块空间区域，所以其不为空，则线程B不执行实例话操作，而  
> \_instance执行的内存区域并没有对象！

**4. C++11版本简介跨平台方案（推荐版本）**

class Singleton {
        
    public:
    	static Singleton& getInstance() {
        
    		static Singleton value;
    		return value;
    	}
    private:
    	Singleton() = default;
    	Singleton(const Singleton& other) = delete;
    	Singleton& operator = (const Singleton&) = delete;
    };

> 引用C++11的特性和局部static只初始化一次的特性。但是需要禁用拷贝构造函数和拷贝赋值运算

**5. 使用C++11提供的call\_once**

#include<thread>
    #include<mutex>
    once_flag flag;
    class Singleton {
        
    public:
    	static Singleton& getInstance() {
        
    		call_once(flag, []() {
        _instance.reset(new Singleton())});
    		return *_instance;
    	}
    private:
    	static unique_ptr<Singleton> _instance;
    	Singleton() = default;
    	Singleton(const Singleton& other) = delete;
    	Singleton& operator = (const Singleton&) = delete;
    };
    unique_ptr<Singleton> Singleton::_instance;