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【C++】设计模式 — 从零开始认识单例模式

news 来源：原创 2024/9/19 9:16:07

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人的一生本来就是一场有来无回的冒险。

--- priest 《残次品》---

设计模式 — 单例模式

1 设计模式
2 单例模式
- 2.1 饿汉模式
- 2.2 懒汉模式
3 总结

1 设计模式

设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。为什么会产生设计模式这样的东西呢？就像人类历史发展会产生兵法。最开始部落之间打仗时都是人拼人的对砍。后来春秋战国时期，七国之间经常打仗，就发现打仗也是有套路的，后来孙子就总结出了《孙子兵法》。设计模式也是类似，是代代相传的智慧！

使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样

我们在之前其实也使用过一些设计模式：迭代器模式，适配器模式。今天我们来学习一个新的的设计模式：单例模式。

2 单例模式

单例模式：一个类只能创建一个对象，即单例模式，该模式可以保证系统中该类只有一个实例，并提供一个
访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。

比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。后面即将开始实践的高并发内存池项目也是使用的单例模式！

单例模式的实现方式有两种：饿汉模式和懒汉模式。

2.1 饿汉模式

饿汉模式就是说不管你将来用不用，程序启动时就创建一个唯一的实例对象。
假如我们有下面这样一个类

class ConfigInfo
{
public:private:string _ip = "127.0.0.1";int _port = 80;//...
};

为了保证单例，就不能允许用户可以显式构造对象，也不能允许拷贝构造和赋值重载！所以我们把这些构造函数私有化，把拷贝构造和赋值重载给delete掉！

private:ConfigInfo(){}ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;ConfigInfo operator=(const ConfigInfo&) = delete;

这样我们就需要单独写一个获取对象的接口，让用户可以进行获取对象。

最重要的来了，我们然后保证只能创建一个对象呢？显然在类外肯定是不可能的的，类外我们无法保证只能创建一个对象，但是在类里我们加入一个静态类对象声明（普通的类对象是不能成为自身类的成员的），这样该类就只能创建当前一个对象！我们在进入main函数之前就进行初始化，在主函数内不在进行创建工作。

class ConfigInfo
{
public:static ConfigInfo* GetInstance(){return &_sInfo;}//...//其他接口//...
private:ConfigInfo(){}ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;ConfigInfo operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:string _ip = "127.0.0.1";int _port = 80;//...//声明static ConfigInfo _sInfo;
};

饿汉模式的实现是很简单，但是饿汉模式也是缺点的：

如果需要很多单例类，并且有些单例类的初始化资源很多，那么就会导致很长时间才能进入到main函数，给用户的体验不是很好！
如果两个类有初始化依赖关系：A，B类是两个单例类，B类进行连接数据库，A类中包含B类，所以初始化完成的顺序会导致程序可能出现问题！

2.2 懒汉模式

懒汉模式是第一次调用到单例类时才进行创建单例对象！

如果单例对象构造十分耗时或者占用很多资源，比如加载插件啊，初始化网络连接啊，读取文件啊等等，而有可能该对象程序运行时不会用到，那么也要在程序一开始就进行初始化，就会导致程序启动时非常的缓慢。所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好！

缺点就是实现起来有点复杂！

class ConfigInfo
{
public:static ConfigInfo* GetInstance(){//获取对象时创建静态变量static ConfigInfo _sInfo;return &_sInfo;}
private:ConfigInfo(){}ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;ConfigInfo operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:string _ip = "127.0.0.1";int _port = 80;//...
};

我们需要获取对象函数中进行静态对象的初始化，在C++11之前，局部的static对象构造是有线程安全风险的！多线程的情况下，都调用GetInstance()是会造成初始化失败。现在基本所有的编译器都支持C++11所以不用担心这个问题了！

C++98是通过一个指针来进行懒汉模型：

像恶汉模式一样，设置一个成员指针变量static ConfigInfo* _sInfo;。在进入主函数之前初始化为nullptr!
在GetInstance()时，判断此时_sInfo是否为空指针，如果是空指针就进行开辟空间，反之就直接返回指针！

class ConfigInfo
{
public:static ConfigInfo* GetInstance(){//获取对象时开辟空间if (_sInfo == nullptr){_sInfo = new ConfigInfo;}return _sInfo;}
private:ConfigInfo(){}ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;ConfigInfo operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:string _ip = "127.0.0.1";int _port = 80;//...static ConfigInfo* _sInfo;
};

但是这样其实是有风险的！开辟空间的代码显然是临界区！==判断和new操作不是原子的！所以我们是要进行加锁的！我们新加一个静态锁成员变量，在主函数之前进行定义！

private:string _ip = "127.0.0.1";int _port = 80;//...static ConfigInfo* _sInfo;static mutex _mtx;

然后使用锁守卫来进行进行管理锁：

	static ConfigInfo* GetInstance(){//RAII管理锁unique_lock<mutex> lock(_mtx);//获取对象时创建静态变量if (_sInfo == nullptr){_sInfo = new ConfigInfo;}return _sInfo;}

这样就线程安全了，但是现在这个代码是有小问题的，每次进入这个获取对象的对象，都会进行上锁。但是在已经创建了对象，再次获取对象的时候其实并不需要进行上锁！锁只需要保护第一次创建对象！在后续的调用中频繁上锁会导致性能下降。为了解决这个问题，我们一般使用双检查机制：

	static ConfigInfo* GetInstance(){//为了保证性能，进行一次初步的检查if (_sInfo == nullptr){//为空才进行上锁来保证线程安全！unique_lock<mutex> lock(_mtx);//获取对象时创建静态变量if (_sInfo == nullptr){_sInfo = new ConfigInfo;}}return _sInfo;}