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单例模式全面学习（C++版）

2024-07-16 14:58:34   222人阅读

单例模式：用来创建独一无二的，只能够有一个实例的对象。 单例模式的结构是设计模式中最简单的，但是想要完全实现一个线程安全的单例模式还是有很多陷阱的，所以面试的时候属于一个常见的考点~

单例模式的应用场景：有一些对象其实只需要一个，比如：线程池，缓存，对话框，处理偏好设置和注册表的对象，日志对象，充当打印机，显卡等设备的驱动程序对象。这些对象只能够拥有一个实例，如果创建出了多个实例，就会导致一些程序的问题。程序的行为异常，资源使用的过量，或者导致不一致的结果。常用来管理共享的资源，比如数据库的连接或者线程池。

单例模式的类图非常简单，如下~，并且经典的实现也非常的简单。

class Singleton {public:    static Singleton* getInstance();    //析构的时候释放资源~    ~Singleton() {        if( (_instance != NULL)             delete _instance;    }protected:    Singleton();private:    static Singleton* _instance;}Singleton *Singleton::_instance = NULL;Singleton* Singleton::getInstance() {    if( _instance == NULL) {        _instance = new Singleton();    }    return _instance;}

   经典的实现非常容易，但是存在一个问题，就是这个经典的实现非线程安全，多线程的情况下，这个单例模式的实现会出现问题~，如何解决呢？改进！

   

class Lock{private:       	mutex mtex;public:	Lock(mutex m) : mtex(m)	{		mtex.Lock();	}	~Lock()	{		mtex.Unlock();	}};
class Singleton {public:    static Singleton* getInstance();    //析构的时候释放资源~    ~Singleton() {        if( (_instance != NULL)             delete _instance;    }protected:    Singleton();private:    static Singleton* _instance;
    static mutex m;}Singleton *Singleton::_instance = NULL;Singleton* Singleton::getInstance() {
    //check 之前进行临界区加锁操作
    Lock lock(m);    if( _instance == NULL) {        _instance = new Singleton();    }    return _instance;}

线程安全保证的一种方法及为在check _instance == NULL 之前进行临界区加锁，如果已经有一个线程进入访问，其他线程必须等待，这样就能够保证多线程情况下实例的唯一！

but，互斥的同步会导致性能的降低，即使_instance已经不为空了，每次还是需要加锁，这样操作花费就比较多，性能必定比较差。

另外还有一些比较好的方法：

1.（非线程同步的方法）上面的操作均为一种lazy initialization的思想，及用到的时候在初始化，这样程序效率比较高，但是有一个另外比较好的方法可以采用是提前初始化，将_instance设置为static之后直接初始化为Singleton对象，每次只需要执行返回操作即可。

这样的话同样会导致问题，就是如果单例本来资源比较多，但是不需要创建那么早，就会消耗资源~。

class Singleton {public:    static Singleton* getInstance();    //析构的时候释放资源~    ~Singleton() {            delete _instance;    }protected:    Singleton();private:    static Singleton* _instance;}Singleton *Singleton::_instance = new Singleton();Singleton* Singleton::getInstance() {    return _instance;}

2.另外一种提升因为同步导致的性能变差的方法称为“双重检验加锁”。方法如下：

思路是只有在第一次创建的时候进行加锁，当_instance不为空的时候就不需要进行加锁的操作，这样就可以提升性能~

class Lock{private:       	mutex mtex;public:	Lock(mutex m) : mtex(m)	{		mtex.Lock();	}	~Lock()	{		mtex.Unlock();	}};class Singleton {public:    static Singleton* getInstance();    //析构的时候释放资源~    ~Singleton() {        if( (_instance != NULL)             delete _instance;    }protected:    Singleton();private:    static Singleton* _instance;    static mutex m;}Singleton *Singleton::_instance = NULL;Singleton* Singleton::getInstance() {    //check 之前进行临界区加锁操作    //双重检验加锁    if(_instance == NULL ) {        Lock lock(m);        if( _instance == NULL) {            _instance = new Singleton();        }    }    return _instance;}

 

总之，小小单例模式问题还是挺多的，面试官喜欢问的一个问题~，因为还是有很多陷阱的。

 


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