單例模式

單例模式，可以說設(shè)計(jì)模式中最常應(yīng)用的一種模式了，據(jù)說也是面試官最喜歡的題目。但是如果沒有學(xué)過設(shè)計(jì)模式的人，可能不會(huì)想到要去應(yīng)用單例模式，面對(duì)單例模式適用的情況，可能會(huì)優(yōu)先考慮使用全局或者靜態(tài)變量的方式，這樣比較簡(jiǎn)單，也是沒學(xué)過設(shè)計(jì)模式的人所能想到的最簡(jiǎn)單的方式了。

一般情況下，我們建立的一些類是屬于工具性質(zhì)的，基本不用存儲(chǔ)太多的跟自身有關(guān)的數(shù)據(jù)，在這種情況下，每次都去new一個(gè)對(duì)象，即增加了開銷，也使得代碼更加臃腫。其實(shí)，我們只需要一個(gè)實(shí)例對(duì)象就可以。如果采用全局或者靜態(tài)變量的方式，會(huì)影響封裝性，難以保證別的代碼不會(huì)對(duì)全局變量造成影響。

考慮到這些需要，我們將默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)聲明為私有的，這樣就不會(huì)被外部所new了，甚至可以將析構(gòu)函數(shù)也聲明為私有的，這樣就只有自己能夠刪除自己了。在Java和C#這樣純的面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言中，單例模式非常好實(shí)現(xiàn)，直接就可以在靜態(tài)區(qū)初始化instance，然后通過getInstance返回，這種就被稱為餓漢式單例類。也有些寫法是在getInstance中new instance然后返回，這種就被稱為懶漢式單例類，但這涉及到第一次getInstance的一個(gè)判斷問題。

下面的代碼只是表示一下，跟具體哪種語(yǔ)言沒有關(guān)系。

單線程中：

Singleton* getInstance()
{
  if (instance == NULL)
    instance = new Singleton();
 
  return instance;
}

這樣就可以了，保證只取得了一個(gè)實(shí)例。但是在多線程的環(huán)境下卻不行了，因?yàn)楹芸赡軆蓚€(gè)線程同時(shí)運(yùn)行到if (instance == NULL)這一句，導(dǎo)致可能會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)實(shí)例。于是就要在代碼中加鎖。

Singleton* getInstance()
{
  lock();
  if (instance == NULL)
  {
    instance = new Singleton();
  }
  unlock();

  return instance;
}

但這樣寫的話，會(huì)稍稍映像性能，因?yàn)槊看闻袛嗍欠駷榭斩夹枰绘i定，如果有很多線程的話，就愛會(huì)造成大量線程的阻塞。于是大神們又想出了雙重鎖定。

Singleton* getInstance()
{
  if (instance == NULL)
  {
	lock();
  	if (instance == NULL)
  	{
    		instance = new Singleton();
  	}
  	unlock();
  }

  return instance;
}

這樣只夠極低的幾率下，通過越過了if (instance == NULL)的線程才會(huì)有進(jìn)入鎖定臨界區(qū)的可能性，這種幾率還是比較低的，不會(huì)阻塞太多的線程，但為了防止一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū)創(chuàng)建實(shí)例，另外的線程也進(jìn)去臨界區(qū)創(chuàng)建實(shí)例，又加上了一道防御if (instance == NULL)，這樣就確保不會(huì)重復(fù)創(chuàng)建了。

常用的場(chǎng)景

單例模式常常與工廠模式結(jié)合使用，因?yàn)楣S只需要?jiǎng)?chuàng)建產(chǎn)品實(shí)例就可以了，在多線程的環(huán)境下也不會(huì)造成任何的沖突，因此只需要一個(gè)工廠實(shí)例就可以了。

優(yōu)點(diǎn)
1.減少了時(shí)間和空間的開銷（new實(shí)例的開銷）。

2.提高了封裝性，使得外部不易改動(dòng)實(shí)例。

缺點(diǎn)
1.懶漢式是以時(shí)間換空間的方式。

2.餓漢式是以空間換時(shí)間的方式。

C++實(shí)現(xiàn)代碼

#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_


class Singleton{
public:
static Singleton* getInstance();

private:
Singleton();
//把復(fù)制構(gòu)造函數(shù)和=操作符也設(shè)為私有,防止被復(fù)制
Singleton(const Singleton&);
Singleton& operator=(const Singleton&);

static Singleton* instance;
};

#endif


#include "Singleton.h"


Singleton::Singleton(){

}


Singleton::Singleton(const Singleton&){

}


Singleton& Singleton::operator=(const Singleton&){

}


//在此處初始化
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
Singleton* Singleton::getInstance(){
return instance;
}


#include "Singleton.h"
#include <stdio.h>


int main(){
Singleton* singleton1 = Singleton::getInstance();
Singleton* singleton2 = Singleton::getInstance();

if (singleton1 == singleton2)
fprintf(stderr,"singleton1 = singleton2\n");

return 0;
}

1 g++ -o client Singleton.cpp client.cpp

運(yùn)行結(jié)果

下面給大家補(bǔ)充一下

單例模式有兩種實(shí)現(xiàn)模式：

1）懶漢模式： 就是說當(dāng)你第一次使用時(shí)才創(chuàng)建一個(gè)唯一的實(shí)例對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)延遲加載的效果。

2）餓漢模式： 就是說不管你將來用不用，程序啟動(dòng)時(shí)就創(chuàng)建一個(gè)唯一的實(shí)例對(duì)象。

所以，從實(shí)現(xiàn)手法上看， 懶漢模式是在第一次使用單例對(duì)象時(shí)才完成初始化工作。因?yàn)榇藭r(shí)可能存在多線程競(jìng)態(tài)環(huán)境，如不加鎖限制會(huì)導(dǎo)致重復(fù)構(gòu)造或構(gòu)造不完全問題。

餓漢模式則是利用外部變量，在進(jìn)入程序入口函數(shù)之前就完成單例對(duì)象的初始化工作，此時(shí)是單線程所以不會(huì)存在多線程的競(jìng)態(tài)環(huán)境，故而無需加鎖。

以下是典型的幾種實(shí)現(xiàn)

一、 懶漢模式，標(biāo)準(zhǔn)的 ”雙檢鎖“ + ”自動(dòng)回收“ 實(shí)現(xiàn)

class Singleton

{
public:
  static Singleton* GetInstance()
  {
    if (m_pInstance == NULL )
    {
      Lock(); // 加鎖
      if (m_pInstance == NULL )
      {
        m_pInstance = new Singleton ();
      }
      UnLock(); // 解鎖
    }
    return m_pInstance;
  }

  // 實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)嵌垃圾回收類  
  class CGarbo 
  {
  public:
    ~CGarbo()
    {
      if(Singleton::m_pInstance) 
        delete Singleton::m_pInstance;
    }
  };

  static CGarbo Garbo; // 定義一個(gè)靜態(tài)成員變量，程序結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用它的析構(gòu)函數(shù)從而釋放單例對(duì)象

private:
  Singleton(){};
  Singleton(Singleton const&); 
  Singleton& operator=(Singleton const&); 

  static Singleton* m_pInstance;
};

Singleton* Singleton::m_pInstance = NULL;
Singleton::CGarbo Garbo;

二、靜態(tài)局部變量的懶漢模式 ，而不是new在堆上創(chuàng)建對(duì)象，避免自己回收資源。

這里仍然要注意的是局部變量初始化的線程安全性問題，在C++0X以后，要求編譯器保證靜態(tài)變量初始化的線程安全性，可以不加鎖。但C++ 0X以前，仍需要加鎖。

class Singleton
{
public:
  static Singleton* GetInstance()
  {
    Lock(); // not needed after C++0x 
    static Singleton instance; 
    UnLock(); // not needed after C++0x 

    return &instance;
  }

private:
  Singleton() {};
  Singleton(const Singleton &);
  Singleton & operator = (const Singleton &);
};

在懶漢模式里，如果大量并發(fā)線程獲取單例對(duì)象，在進(jìn)行頻繁加鎖解鎖操作時(shí)，必然導(dǎo)致效率低下。

三、餓漢模式，基礎(chǔ)版本

因?yàn)槌绦蛞婚_始就完成了單例對(duì)象的初始化，所以后續(xù)不再需要考慮多線程安全性問題，就可以避免懶漢模式里頻繁加鎖解鎖帶來的開銷。

class Singleton
{
public:

  static Singleton* GetInstance()
  {
    return &m_instance;
  }

private:
  Singleton(){};
  Singleton(Singleton const&); 
  Singleton& operator=(Singleton const&); 

  static Singleton m_instance;
};

Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成單例對(duì)象的初始化

雖然這種實(shí)現(xiàn)在一定程度下能良好工作，但是在某些情況下會(huì)帶來問題 --- 就是在C++中 ”非局部靜態(tài)對(duì)象“ 的 ”初始化“ 順序 的 ”不確定性“， 參見Effective c++ 條款47。

考慮： 如果有兩個(gè)這樣的單例類，將分別生成單例對(duì)象A, 單例對(duì)象B. 它們分別定義在不同的編譯單元（cpp中）， 而A的初始化依賴于B 【 即A的構(gòu)造函數(shù)中要調(diào)用B::GetInstance() ，而此時(shí)B::m_instance 可能還未初始化，顯然調(diào)用結(jié)果就是非法的 】， 所以說只有B在A之前完成初始化程序才能正確運(yùn)行，而這種跨編譯單元的初始化順序編譯器是無法保證的。

四、餓漢模式，增強(qiáng)版本（boost實(shí)現(xiàn)）

在前面的方案中：餓漢模式中，使用到了類靜態(tài)成員變量，但是遇到了初始化順序的問題； 懶漢模式中，使用到了靜態(tài)局部變量，但是存在著線程安全等問題。

boost 的實(shí)現(xiàn)方式是：?jiǎn)卫龑?duì)象作為靜態(tài)局部變量，然后增加一個(gè)輔助類，并聲明一個(gè)該輔助類的類靜態(tài)成員變量，在該輔助類的構(gòu)造函數(shù)中，初始化單例對(duì)象。以下為代碼

class Singleton
{
public:
  static Singleton* GetInstance()
  {
    static Singleton instance;
    return &instance;
  }

protected:
  // 輔助代理類
  struct Object_Creator
  {
    Object_Creator()
    {
      Singleton::GetInstance();
    }
  };
  static Object_Creator _object_creator;

  Singleton() {}
  ~Singleton() {}
};

Singleton::Object_Creator Singleton::_object_creator;

首先，代理類這個(gè)外部變量初始化時(shí)，在其構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部調(diào)用 Singleton::GetInstance();從而間接完成單例對(duì)象的初始化，這就通過該代理類實(shí)現(xiàn)了餓漢模式的特性。

其次，仍然考慮第三種模式的缺陷。 當(dāng)A的初始化依賴于B， 【 即A的構(gòu)造函數(shù)中要調(diào)用B::GetInstance() ，而此時(shí)B::m_instance 可能還未初始化，顯然調(diào)用結(jié)果就是非法的 】 現(xiàn)在就變?yōu)椤驹贏的構(gòu)造函數(shù)中要調(diào)用B::GetInstance() ，如果B尚未初始化，就會(huì)引發(fā)B的初始化】，所以在不同編譯單元內(nèi)全局變量的初始化順序不定的問題就隨之解決。

最后，關(guān)于使用懶漢還是餓漢模式，我的理解：

如果這個(gè)單例對(duì)象構(gòu)造十分耗時(shí)或者占用很多資源，比如加載插件啊， 初始化網(wǎng)絡(luò)連接啊，讀取文件啊等等，而有可能該對(duì)象程序運(yùn)行時(shí)不會(huì)用到，那么也要在程序一開始就進(jìn)行初始化，也是一種資源浪費(fèi)吧。 所以這種情況懶漢模式（延遲加載）更好。

如果這個(gè)單例對(duì)象在多線程高并發(fā)環(huán)境下頻繁使用，性能要求較高，那么顯然使用餓漢模式來避免資源競(jìng)爭(zhēng)，提高響應(yīng)速度更好。