[C++知识库]单例模式分析

单例模式

为什么要用单例

确保某个类只有一个对象，常用于访问数据库操作，服务的配置文件等。

单例的关键点

1、默认构造函数为private，复制构造函数和复制赋值函数也要private或=delete禁用。（做到无法被外部其他对象构造）
2、通过一个静态方法或枚举返回单例类对象。
3、确保多线程的环境下，单例类对象只有一个。

几种写法

本文主要介绍C++的懒汉式和饿汉式写法。

懒汉式

需要生成唯一对象时（调用GetInstance时），才生成

线程不安全的错误写法

class SingleInstance
{
public:
    // 静态方法获取单例
    static SingleInstance *GetInstance();
    // 释放单例避免内存泄露
    static void deleteInstance();
private:
    SingleInstance() {}
    ~SingleInstance() {}
    // 复制构造函数和复制赋值函数设置为private，被禁用
    SingleInstance(const SingleInstance &signal);
    const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);
private:
    static SingleInstance *m_SingleInstance;
};

// 初始化为NULL，与后面形成对比
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;

SingleInstance* SingleInstance::GetInstance()
{
    // 多线程情况下，一个线程通过if检查但是还未new出单例时，另一个线程也通过了if检查，导致new出多个对象
    if (m_SingleInstance == NULL)
    {
        m_SingleInstance = new (std::nothrow) SingleInstance;
    }
    return m_SingleInstance;
}

void SingleInstance::deleteInstance()
{
    if (m_SingleInstance)
    {
        delete m_SingleInstance;
        m_SingleInstance = NULL;
    }
}

线程安全的双检锁写法

class SingleInstance
{
public:
    // 静态方法获取单例
    static SingleInstance *GetInstance();
    // 释放单例避免内存泄露
    static void deleteInstance();
private:
    SingleInstance() {}
    ~SingleInstance() {}
    // 复制构造函数和复制赋值函数设置为private，被禁用
    SingleInstance(const SingleInstance &signal);
    const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);
private:
    static SingleInstance *m_SingleInstance;
};

// 初始化为NULL，与后面形成对比
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;

SingleInstance* SingleInstance::GetInstance()
{
    // 如果直接在外面锁，功能也ok，但每次运行到这个地方便需要加一次锁，非常浪费资源
    // 在里面加锁，初始化时存在加锁的情况，初始化之后，外层if都为false，直接返回，避免加锁
    if (m_SingleInstance == NULL) 
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // Lock up
        if (m_SingleInstance == NULL)
        {
            m_SingleInstance = new (std::nothrow) SingleInstance;
        }
    }
    return m_SingleInstance;
}

void SingleInstance::deleteInstance()
{
    if (m_SingleInstance)
    {
        delete m_SingleInstance;
        m_SingleInstance = NULL;
    }
}

线程安全的局部静态变量写法

推荐

class SingleInstance
{
public:
    // 静态方法获取单例
    static SingleInstance *GetInstance();
private:
    SingleInstance() {}
    ~SingleInstance() {}
    // 复制构造函数和复制赋值函数设置为private，被禁用
    SingleInstance(const SingleInstance &signal);
    const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);
};

SingleInstance& SingleInstance::GetInstance()
{
	// 局部静态变量（一般为函数内的静态变量）在第一次使用时分配内存并初始化。
    static SingleInstance m_SingleInstance;
    return m_SingleInstance;
}

饿汉式

进程运行前（main函数执行），就创建

线程安全的进程运行前初始化写法

class SingleInstance
{
public:
    // 静态方法获取单例
    static SingleInstance *GetInstance();
private:
    SingleInstance() {}
    ~SingleInstance() {}
    // 复制构造函数和复制赋值函数设置为private，被禁用
    SingleInstance(const SingleInstance &signal);
    const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);
private:
	static SingleInstance *m_SingleInstance;
};

SingleInstance* SingleInstance::GetInstance()
{
    return m_SingleInstance;
}

// 全局变量、文件域的静态变量和类的静态成员变量在main执行之前的静态初始化过程中分配内存并初始化
Singleton* Singleton::g_pSingleton = new (std::nothrow) Singleton;
int main()
{
	return 0;
}

线程安全的类静态成员变量写法

class SingleInstance
{
public:
    // 静态方法获取单例
    static SingleInstance *GetInstance();
    // 全局变量、文件域的静态变量和类的静态成员变量在main执行之前的静态初始化过程中分配内存并初始化。
    static SingleInstance m_SingleInstance;
private:
    SingleInstance() {}
    ~SingleInstance() {}
    // 复制构造函数和复制赋值函数设置为private，被禁用
    SingleInstance(const SingleInstance &signal);
    const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &signal);
};

SingleInstance& SingleInstance::GetInstance()
{
    return m_SingleInstance;
}

静态内部类写法

JAVA

/**
 * 静态内部类实现单例模式
 */
public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

    /**
     * 静态内部类
     */
    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
}

第一次加载Singleton类时不会初始化instance，只有在第一次调用getInstance()方法时，虚拟机会加载SingletonHolder类，初始化instance。
这种方式既保证线程安全，单例对象的唯一，也延迟了单例的初始化，推荐使用这种方式来实现单例模式。

枚举单例

JAVA

/**
 * 枚举实现单例模式
 */
public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;
    public void doSomething() {
        System.out.println("do something");
    }
}

默认枚举实例的创建是线程安全的，即使反序列化也不会生成新的实例，任何情况下都是一个单例。
优点： 简单！

容器实现单例

JAVA

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
 * 容器类实现单例模式
 */
public class SingletonManager {
    private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String, Object>();

    public static void regsiterService(String key, Object instance) {
        if (!objMap.containsKey(key)) {
            objMap.put(key, instance);
        }
    }

    public static Object getService(String key) {
        return objMap.get(key);
    }
}

SingletonManager可以管理多个单例类型，使用时根据key获取对象对应类型的对象。这种方式可以通过统一的接口获取操作，隐藏了具体实现，降低了耦合度。

参考

https://www.jianshu.com/p/e57098c265f9
https://www.cnblogs.com/kubixuesheng/p/4355055.html
https://stackoverflow.com/questions/1008019/c-singleton-design-pattern
https://programmer.ink/think/summary-of-c-thread-safety-singleton-patterns.html