【C++】设计模式 — 从零开始认识单例模式

2024-08-15 14:33:32 浏览数 (1)

设计模式 — 单例模式

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

代码语言：javascript复制
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！

代码语言：javascript复制
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。

代码语言：javascript复制
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：

  1. 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！
  2. 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！

代码语言：javascript复制
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：

  1. 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!
  2. 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！
代码语言：javascript复制
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！

代码语言：javascript复制
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：

代码语言：javascript复制
	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：

代码语言：javascript复制
	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;
	}

对于_sInfo的释放，可以不用管，进程结束会统一释放。也可以设计一个垃圾回收类，在生命周期到的时候会调用垃圾回收的析构函数，在这个析构函数中进行_sInfo空间的释放就可以了！

3 总结

单例模式是一个很实用的设计模式，单例类只能创建一个对象，像高并发内存池这样的类，全局只有一个就够了。单例类的底层实现有两种方法：饿汉模式和懒汉模式。他们都是通过静态成员变量来保证只有一个单例。

  1. 饿汉模式是将构造函数私有化，并且不允许拷贝构造和赋值重载。在进行主函数之前就完成对象的构建！如果单例类对象太多，会造成进入主函数过慢！
  2. 懒汉模式是在第一次调用的时候完成构造对象。懒汉模式的实现比较复杂！

在实际生产中，灵活使用这两个实现方法可以帮助我们解决很多复杂问题！

单例模式 对象 函数 设计模式 c++

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