[C++实现设计模式(1)] : 单例模式

分手后的思念是犯贱 2022-01-27 09:27 242阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  单例模式的定义
         *   *  单例模式的分类
             *   *  饿汉单例模式
                 *  懒汉单例模式
                 *   *  这是一种线程不安全的单例
                     *  解决方法
         *  单例模式的应用
         *   *  单例模式的优点
             *  单例模式的缺点
             *  单例模式的使用场景
             *  单例模式的注意事项
             *  单例模式的扩展

### 单例模式的定义 ###

**定义 : 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 .**  
单例模式应该是23种设计模式中最简单的一种模式了 . **它有以下几个要素：**

*  **私有的构造方法**
 *  **指向自己实例的私有静态引用**
 *  **以自己实例为返回值的静态的公有的方法**

**UML图 :**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L05vbnBjMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

#### 单例模式的分类 ####

单例模式根据实例化对象时机的不同**分为两种**：**一种是饿汉式单例模式，一种是懒汉式单例模式 .**

##### 饿汉单例模式 #####

**定义 : 即类产生的时候就创建好实例对象，这是一种空间换时间的方式；**  
代码如下:

//饿汉单例模式
    #if 0
    class Singleton 
    {
        
    public:
    	//获取唯一可用的对象
    	static Singleton* getInstance()
    	{
        
    		return &singleton;
    	}
    	//类中其他方法 , 尽量是static
    	static void doSomething()
    	{
        
    		cout<<"我就是皇帝某某某....."<<endl;
    	}
    private :
    	//单例对象在这里
    	static Singleton singleton ;
    	//让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化 , 限制产生多个对象
    	Singleton()
    	{
        cout<<"单例对象创建"<<endl;}
    	~Singleton()
    	{
        cout<<"单例对象销毁"<<endl;}
    };
    //静态数据成员初始化 , 分配内存
    //＜数据类型＞＜类名＞::＜静态数据成员名＞=＜值＞ 
    Singleton Singleton::singleton ;
    
    int main()
    {
        
    	Singleton *p1 = Singleton::getInstance();
    	Singleton *p2 = Singleton::getInstance();
    	Singleton *p3 = Singleton::getInstance();
    	//只有一个地址
    	cout<<"p1: "<<p1<<endl<<"p2: "<<p2<<endl<<"p3: "<<p3<<endl;
    	return 0;
    }
    
    #endif

运行结果:  
![在这里插入图片描述][20190526210552970.png]

**饿汉单例模式是线程安全的，不需要考虑线程同步！**

##### 懒汉单例模式 #####

**定义 : 即在需要的时候，才创建对象，这是一种时间换空间的方式 ;**  
**注 : 这是一种线程不安全的单例 . 我们后面来说.**  
代码如下 :

//懒汉单例模式
    #if 0
    //线程不安全的单例
    class Singleton 
    {
        
    public:
    	//注意这里和饿汉模式不同
    	static Singleton* getInstance()
    	{
        
    		if(singleton == nullptr)
    		{
        
    			singleton = new Singleton();
    		}
    		return singleton;
    	}
    	static void doSomething()
    	{
        
    		cout<<"我就是皇帝某某某....."<<endl;
    	}
    private :
    	//注意这里 , 和饿汉模式声明的成员不同 
    	static Singleton* singleton ;
    	Singleton()
    	{
        cout<<"单例对象创建"<<endl;}
    	~Singleton()
    	{
        cout<<"单例对象销毁"<<endl;}
    	//定义一个内部类
    	//如果单例模式的类中申请了其他资源，就无法释放，导致内存泄漏！
        //原因：此时全局数据区中，存储的并不是一个实例对象，而是一个实例对象的指针，即一个地址变量而已！
    	//实例对象呢？在堆区，因为是通过new得来的！虽然这样能够减小全局数据区的占用，把实例对象这一大坨都放到堆区。
    	//可是！如何释放资源呢？ 
    	//定义内部类
    	class CGarbo
    	{
        
    	public:
    		CGarbo()
    		{
        }
    		~CGarbo()
    		{
        
    			if(singleton != nullptr)
    			{
        
    				delete singleton;
    				singleton = nullptr;
    			}
    		}
    	};
    	// 定义一个内部类的静态对象
    	// 当该对象销毁时，顺带就释放singleton指向的堆区资源
    	static CGarbo m_garbo;
    };
    
    Singleton* Singleton::singleton = nullptr;
    Singleton::CGarbo Singleton::m_garbo;
    int main()
    {
        
    	Singleton *p1 = Singleton::getInstance();
    	Singleton *p2 = Singleton::getInstance();
    	Singleton *p3 = Singleton::getInstance();
    	cout<<"p1: "<<p1<<endl<<"p2: "<<p2<<endl<<"p3: "<<p3<<endl;
    	return 0;
    }
    #endif

运行结果:  
![在这里插入图片描述][20190526210410635.png]

在这里解释一下为什么使用内部类 , 这是因为如果在类A(如 : Singleton)的**析构函数中delete 类A的对象 , delete 还会调用类A的析构函数** , **这样就造成了一个死循环** . 所以要**采用内部类的方式进行析构**, 防止内存的泄漏 .

饿汉单例模式也可以写成这种形式 , 将static Singleton singleton ; 改为 static Singleton\* singleton ; , 这里也需要使用内部类 .初始化的方式和懒汉单例模式一样.

###### 这是一种线程不安全的单例 ######

**我们再来说说它为什么是线程不安全的单例.**  
该单例在低并发的情况下尚不会出现问题 , 若系统压力增大 , 并发量增加时则可能在内存中出现多个实例 , 破坏了最初的预期 . 为什么会出现这种情况呢?**如一个线程A执行到 singleton = new Singleton(); , 但还没有获得对象(对象的初始化是需要时间的) , 第二个线程B也在执行 , 执行到if(singleton == nullptr) 判断 , 那么线程B获得的判断条件也是为真 , 于是继续运行下去 , 线程A获得了一个对象 , 线程B也获得了一个对象 , 在内存中就出现两个对象** !

###### 解决方法 ######

可以通过加锁的方式来解决.

static Singleton* getInstance()
    	{
        
    	    lock(); //伪代码 , 具体实现请查阅资料
    		if(singleton == nullptr)
    		{
        
    			singleton = new Singleton();
    		}
    		unlock(); //伪代码
    		return singleton;
    	}

### 单例模式的应用 ###

#### 单例模式的优点 ####

*  **在内存中只有一个实例(对象) , 节省内存空间 .**
 *  **避免频繁的创建销毁对象，可以提高性能 .**
 *  **避免对共享资源的多重占用 .**
 *  **可以全局访问 .**

#### 单例模式的缺点 ####

*  **单例模式一般没有接口 , 扩展很困难 .**
 *  **单例模式对测试是不利的 .**
 *  **单例模式与单一职责原则有冲突 .**

#### 单例模式的使用场景 ####

*  **需要频繁实例化然后销毁的对象 .**
 *  **创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象 .**
 *  **在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据 .**
 *  **频繁访问数据库或文件的对象 .**
 *  **要求生成唯一序列号的环境 .**
 *  **需要定义大量的静态常量和静态方法(如工具类)的环境 .**

#### 单例模式的注意事项 ####

*  **在高并发的情况下 , 注意单例模式的线程同步问题 .**
 *  **只能使用单例类提供的方法得到单例对象，不要使用反射，否则将会实例化一个新对象 .**
 *  **不要做断开单例类对象与类中静态引用的危险操作 .**

#### 单例模式的扩展 ####

如果一个类可以产生多个对象，对象的数量不受限制，则是非常容易实现的，直接使用new关键字就可以了，如果只需要一个对象，使用单例模式就可以了，但是如果要求一个类只  
能产生两三个对象呢?该怎么实现?

这种需要产生固定数量对象的模式就叫做**有上限的多例模式**，它是单例模式的一种扩展，采用有上限的多例模式，我们可以**在设计时决定在内存中有多少个实例 , 便系统进行扩展 , 修正单例可能存在的性能问题，提供系统的响应速度** .例如读取文件 , 我们可以在系统启动时完成初始化工作 , 在内存中启动固定数量的reader实例 , 然后在需要读取文件时就可以快速相应 .

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