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c語言設(shè)計(jì)模式之單例模式中的餓漢與懶漢詳解

更新時(shí)間：2023年08月03日 09:17:36 作者：Pin_na

這篇文章主要介紹了c語言設(shè)計(jì)模式之單例模式中的餓漢與懶漢詳解,單例模式是指一個類只能創(chuàng)建一個對象，保證系統(tǒng)中該類只有一個實(shí)例，并提供一個可供訪問的全局訪問點(diǎn)，該實(shí)例被所有程序模塊共享，需要的朋友可以參考下

設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式是一套反復(fù)使用、多人知曉、經(jīng)過分類的代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

如單例模式、工廠模式、觀察者模式等等。

單例模式

單例模式是指一個類只能創(chuàng)建一個對象，保證系統(tǒng)中該類只有一個實(shí)例，并提供一個可供訪問的全局訪問點(diǎn)，該實(shí)例被所有程序模塊共享，其中單例模式又分為了餓漢模式和懶漢模式兩種實(shí)現(xiàn)方式。

應(yīng)用

需要頻繁實(shí)例化然后銷毀的對象。
創(chuàng)建對象時(shí)耗時(shí)過多或者耗資源過多，但又經(jīng)常用到的對象。
有狀態(tài)的工具類對象。
頻繁訪問數(shù)據(jù)庫或文件的對象。

資源共享：

避免由于資源操作時(shí)導(dǎo)致的性能或損耗等。如日志文件，應(yīng)用配置等...

控制資源：

方便資源之間的互相通信。如線程池等...

實(shí)現(xiàn)

基本思想：

構(gòu)造函數(shù)為private私有屬性全局唯一公共訪問點(diǎn)來創(chuàng)建對象，函數(shù)為public屬性為了使用方便增加一個GC輔助類來釋放資源

餓漢模式

餓漢顧名思義就是很饑餓，迫不及待想吃東西，所以這種實(shí)現(xiàn)方式就是：無論以后對象會不會用到，程序一啟動時(shí)就創(chuàng)建一個唯一的實(shí)例對象

優(yōu)點(diǎn)：簡單，線程安全
缺點(diǎn)：可能導(dǎo)致進(jìn)程啟動慢、多個單例對象實(shí)例啟動順序不可控

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	//提供靜態(tài)公有方法，可以類名加域名訪問，返回對象指針
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return m_instance;
	}
	class GCarbo
	{
	public:
		~GCarbo()
		{
			cout << "delete instance" << endl;
			if (nullptr != m_instance){
				delete Singleton::m_instance;
				m_instance = nullptr;
			}
		}
	};
private:
	//構(gòu)造函數(shù)私有
	Singleton(){
		cout << "Singleton" << endl;
	};
	//防拷貝
	//C++98
	//Singleton(Singleton const&);
	//Singleton& operator=(Singleton const&);
	//C++11
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
	static Singleton *m_instance;
	static GCarbo Carbo;
};
//在程序入口之前完成單例對象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton;
Singleton::GCarbo Carbo;
int main()
{
	cout << "main begin" << endl;
	//均無法創(chuàng)建實(shí)例
	//Singleton s;
	//Singleton* p = new Singleton;
	//調(diào)用共有靜態(tài)成員方法
	Singleton* p1= Singleton::GetInstance();
	Singleton* p2 = Singleton::GetInstance();
	if (p1 == p2){
		cout << "yes" << endl;
	}
	else{
		cout << "no" << endl;
	}
	system("pause");
	return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

整個程序運(yùn)行過程中只調(diào)用了一次構(gòu)造函數(shù)，并且兩個對象為同一個對象，程序結(jié)束后自動銷毀對象

懶漢模式

相反，懶漢模式就是已經(jīng)懶到極致了，單例實(shí)例當(dāng)首次被引用時(shí)才將進(jìn)行初始化，盡量使資源的利用最大化。如最常見的晚綁定、寫時(shí)拷貝技術(shù)都是這種實(shí)現(xiàn)方式。

優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)程啟動無負(fù)載，多個單例實(shí)例啟動順序可控制
缺點(diǎn)：復(fù)雜，線程不安全

但是這里要注意一點(diǎn)，不同于餓漢模式GetInstance全局公共訪問點(diǎn)僅僅返回一個類對象的指針，因?yàn)槲覀儾]有在類外實(shí)例化對象，所以我們要對對象的實(shí)例化進(jìn)行判斷，沒有對象時(shí)才能創(chuàng)建一個對象

static Singleton* GetInstance()
{
	if (nullptr == m_instance){
			m_instance = new Singleton();
	}
	return m_instance;
}

完整代碼如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if (nullptr == m_instance){
			m_instance = new Singleton();
		}
		return m_instance;
	}
	//內(nèi)嵌垃圾回收類
	class CGarbo{
	public:
   		~CGarbo(){
			cout << "delete instance" << endl;
			if (nullptr != Singleton::m_instance){
				delete Singleton::m_instance;
				m_instance = nullptr;
			}
		}
	};
	//定義一個靜態(tài)成員變量，程序結(jié)束后自動調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)釋放單例對象
	static CGarbo Garbo;
private:
	//構(gòu)造函數(shù)私有
	Singleton() {
		printf("Singleton\n");
	};
	//防拷貝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	//單例對象指針
	static Singleton* m_instance;
};
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
int main()
{
	cout << "main begin" << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

這樣寫看似就可以了，兩個實(shí)例也創(chuàng)建了相同的對象，真的就可以了嘛？答案是否定的，現(xiàn)在我們在多線程環(huán)境下在對這段代碼進(jìn)行演示

我們發(fā)現(xiàn)，兩個線程竟然創(chuàng)建了兩個不同的對象出來，這顯然不符合我們單例模式的要求，為什么會出現(xiàn)這種原因呢，假如第一個線程剛剛判斷完 m_instance 為 nullptr 開始創(chuàng)建對象，對象還未創(chuàng)建完成，第二個線程也開始判斷，此時(shí)對象未創(chuàng)建完成，條件滿足，也會繼續(xù)執(zhí)行對象創(chuàng)建的代碼創(chuàng)建對象，所以創(chuàng)建出了兩個不同的對象出來。

可能的線程不安全情況舉例（數(shù)字表示按時(shí)間片程序的執(zhí)行順序）：

情況一（線程不安全）：

情況二（編譯器自動優(yōu)化，進(jìn)行指令重排）：

對于情況一解決辦法就是我們需要對創(chuàng)建對象的操作加互斥鎖，保證操作的原子性，由于加鎖后創(chuàng)建對象線程可能阻塞，所以這里我們?yōu)榱送瑫r(shí)保證效率和安全通常會選擇 Double-Check 方式加鎖

static Singleton* GetInstance()
	{
		//Double-Check方式加鎖保證效率和線程安全
		//保證效率
		if (nullptr == m_instance){
			//保證線程安全
			m_mtx.lock();
			//正常檢查
			if (nullptr == m_instance){
				m_instance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		return m_instance;
	}

但是情況二顯然程序還會出現(xiàn)問題，我們在 m_instance 對象前加上 volatile即可，禁止編譯器優(yōu)化，將變量從內(nèi)存中讀取，而不是從寄存器中讀取。

整個懶漢模式的完整代碼：

class Singleton
{
public:
	static volatile Singleton* GetInstance()
	{
		//Double-Check方式加鎖保證效率和線程安全
		//保證效率
		if (nullptr == m_instance){
			//保證線程安全
			m_mtx.lock();
			//正常檢查
			if (nullptr == m_instance){
				m_instance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		return m_instance;
	}
	//內(nèi)嵌垃圾回收類
	class CGarbo{
	public:
		~CGarbo(){
			cout << "delete instance" << endl;
			if (nullptr != Singleton::m_instance){
				delete Singleton::m_instance;
				m_instance = nullptr;
			}
		}
	};
	//定義一個靜態(tài)成員變量，程序結(jié)束后自動調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)釋放單例對象
	static CGarbo Garbo;
private:
	//構(gòu)造函數(shù)私有
	Singleton() {
		//cout原型operator <<() 連續(xù)的cout相當(dāng)于是函數(shù)的遞歸調(diào)用過程
		//cout.operator<<(c1);
		//由于線程的特性會導(dǎo)致輸出亂序
		printf("Singleton\n");
	};
	//防拷貝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	//單例對象指針
	static volatile Singleton* m_instance;
	static mutex m_mtx;
};
volatile Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;
void func(int n)
{
	printf("%d: %p\n", n, Singleton::GetInstance());
	//cout << Singleton::GetInstance() << " " << n << endl;
}
int main()
{
	cout << "main begin" << endl;
	thread t1(func, 1);
	thread t2(func, 2);
	t1.join();
	t2.join();
	printf("%p\n", Singleton::GetInstance());
	printf("%p\n", Singleton::GetInstance());
	system("pause");
	return 0;
}

結(jié)果完全沒有問題：