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1. 适用性 《Gof 设计模式-可复用面向对象软件的基础》中对…1. 意图 在开发中若某些模块或功能只需要一个类实例所有调用地方通过着一个类对象访问功能单例模式符合这种类实例创建模式并且通过提供统一类实例接口访问类对象。
2. 适用性 《Gof 设计模式-可复用面向对象软件的基础》中对此模式的适用性描述如下 当类只能有一个实例且客户可以从一个公众的访问点访问。 当这个唯一实例应该是通过子类化可拓展的并且客户应该无需更改代码就能使用一个扩展的实例时。
3. 实现 饿汉模式类加载时类对象创建并初始化调用时直接使用已经创建好的。 #include iostreamclass Singleton { public:static Singleton *GetInstance() { return m_instance; }void Print() { std::cout FUNCTION std::endl; }private:Singleton() default;~Singleton() default;Singleton(const Singleton ) delete;Singleton operator(const Singleton ) delete;private:static Singleton *m_instance; };Singleton *Singleton::m_instance new Singleton;void Test() { Singleton::GetInstance()-Print(); }int main() {Test();return 0; } 懒汉模式类对象创建与初始化被延迟到真正调用的位置。 #include iostreamclass Singleton { public:static Singleton *GetInstance() {if (m_instance nullptr)m_instance new Singleton;return m_instance;}void Print() { std::cout FUNCTION std::endl; }private:Singleton() default;~Singleton() default;Singleton(const Singleton ) delete;Singleton operator(const Singleton ) delete;private:static Singleton *m_instance; };Singleton *Singleton::m_instance nullptr;void Test() { Singleton::GetInstance()-Print(); }int main() {Test();return 0; } 懒汉模式存在多线程并发问题可以加锁如下 #include iostream #include mutexstd::mutex mtx;class Singleton { public:static Singleton *GetInstance() {std::lock_guardstd::mutex locker(mtx);if (m_instance nullptr)m_instance new Singleton;return m_instance;}void Print() { std::cout FUNCTION std::endl; }private:Singleton() default;~Singleton() default;Singleton(const Singleton ) delete;Singleton operator(const Singleton ) delete;private:static Singleton *m_instance; }; 以上通过加锁保证了数据的并发安全但若此对象创建好后多个线程频繁调用每次都加锁访问可读对象对程序性能影响较大于是又出现了双层检查机制优化访问性能。 #include iostream #include mutexstd::mutex mtx;class Singleton { public:static Singleton *GetInstance() {if (m_instance nullptr) {std::lock_guardstd::mutex locker(mtx);if (m_instance nullptr)m_instance new Singleton;}return m_instance;}void Print() { std::cout FUNCTION std::endl; }private:Singleton() default;~Singleton() default;Singleton(const Singleton ) delete;Singleton operator(const Singleton ) delete;private:static Singleton *m_instance; };Singleton *Singleton::m_instance nullptr;void Test() { Singleton::GetInstance()-Print(); }int main() {Test();return 0; } 双重检查机制实际上还存在潜在的问题内存访问重新排序重新排列编译器产生的汇编指令导致双重锁定失效考虑类对象内存分配和调用构造函数初始化分为两步执行指令不顺序执行就无法保证多线程有其它指令在这两步之间执行。所以需要保证指令顺序执行避免指令重排。 #include atomic #include iostream #include mutexclass Singleton { public:static Singleton *GetInstance() {Singleton *tmp m_instance.load(std::memory_order_relaxed);std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);if (tmp nullptr) {std::lock_guardstd::mutex locker(m_mtx);tmp m_instance.load(std::memory_order_relaxed);if (tmp nullptr) {tmp new Singleton;std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);}}return m_instance;}void Print() { std::cout FUNCTION std::endl; }private:Singleton() default;~Singleton() default;Singleton(const Singleton ) delete;Singleton operator(const Singleton ) delete;private:static std::atomicSingleton * m_instance;static std::mutex m_mtx; };std::atomicSingleton * Singleton::m_instance nullptr; std::mutex Singleton::m_mtx;void Test() { Singleton::GetInstance()-Print(); }int main() {Test();return 0; } 以上使用原子变量及内存序约束实现单例类避免指令重排问题同时解决并发问题。但实现略微繁琐c11以后对静态变量创建的并发安全提供了保证简化写法如下 #include iostreamclass Singleton { public:static Singleton GetInstance() {static Singleton instance;return instance;}void Print() { std::cout FUNCTION std::endl; }private:Singleton() default;~Singleton() default;Singleton(const Singleton ) delete;Singleton operator(const Singleton ) delete; };void Test() { Singleton::GetInstance().Print(); }int main() {Test();return 0; }
4. 优缺点 控制类实例数量比类操作更灵活减少命名空间污染隐藏了类之间的依赖关系影响代码的扩展性影响代码的可测试性不支持包含参数的构造函数
5. 模板实现 单实例管理 template typename T class SingletonManager { public:template typename… Args static T GetInstance(Args …args) {static T instance(std::forwardArgs(args)…);return instance;}private:SingletonManager() default;virtual ~SingletonManager() default;SingletonManager(const SingletonManager ) delete;SingletonManager operator(const SingletonManager ) delete; }; 多实例管理 #include map #include memory #include stringtemplate typename T, typename K std::string class MultitonManager { public:template typename… Argsstatic T GetInstance(const K key, Args …args) {return AssignInstance(key, std::forwardArgs(args)…);}template typename… Args static T GetInstance(K key, Args …args) {return AssignInstance(key, std::forwardArgs(args)…);}private:template typename Key, typename… Argsstatic T AssignInstance(Key key, Args …args) {auto iter m_map.find(key);if (iter m_map.end()) {static T instance;m_map.emplace(key, instance);return instance;}return *(iter-second);}private:MultitonManager() default;virtual ~MultitonManager() default;MultitonManager(const MultitonManager ) delete;MultitonManager operator(const MultitonManager ) delete;private:static std::mapK, T * m_map; };template typename T, typename K std::mapK, T * MultitonManagerT, K::m_map;