【C++入门到精通】特殊类的设计 | 单例模式 [ C++入门 ]

简介: 【C++入门到精通】特殊类的设计 | 单例模式 [ C++入门 ]

引言

在面向对象编程中,特殊类是指具有特定属性或限制的类,这些属性或限制使其在设计和使用上与常规类不同。在上一篇文章中,我们讨论了一些特殊类,如只能在堆上创建对象的类、只能在栈上创建对象的类以及禁止拷贝和继承的类。

在本文中,我们将继续探讨特殊类的设计,着重介绍单例模式。单例模式是一种常见的设计模式,它确保一个类只有一个实例,并提供了全局访问点。在许多情况下,我们需要确保只有一个对象来协调系统操作或管理共享资源,而单例模式正是解决这类问题的理想选择。

本文将深入研究单例模式的原理和实现方式。我们将介绍几种常见的单例模式实现方法,包括饿汉式、懒汉式、双重检查锁定和静态内部类。我们将详细讨论每种实现方法的优缺点,并提供相应的示例代码。让我们一起探索单例模式的精髓吧!

一、设计模式概念(了解)

设计模式是一种被广泛接受和应用的软件开发经验总结,它提供了解决常见问题的可重用方案。设计模式帮助开发人员以一种可靠、灵活和可维护的方式构建软件系统。

设计模式的概念最早由计算机科学家埃里希·伽玛(Erich Gamma)等人在1994年的著作《设计模式:可复用面向对象软件的基础》中引入。该书提出了23种经典的设计模式,这些模式分为三大类:创建型模式、结构型模式和行为型模式。

每种设计模式都有其特定的应用场景和解决方案,开发人员可以根据具体需求选择适当的模式来解决问题。设计模式不仅提供了一种通用的解决方案,还促进了代码的可读性、可维护性和可扩展性。

然而,设计模式并非万能药,过度使用或错误使用设计模式可能导致代码变得复杂和难以理解。因此,在应用设计模式时,开发人员需要谨慎权衡,并结合实际情况做出决策。

总之,设计模式是一种帮助开发人员解决常见问题的工具,它提供了一套经过验证的解决方案。通过学习和应用设计模式,开发人员可以提高软件系统的质量和可维护性,从而更加高效地开发出优秀的软件。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

二、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。

⭕单例模式有两种实现模式:饿汉模式 和 懒汉模式,下面我会一个一个的向大家介绍

1. 饿汉模式

(1)概念

饿汉模式是单例模式的一种实现方式,它在类加载时就创建唯一的实例对象,并通过静态方法提供全局访问点。简单来说就是不管你将来用不用,程序启动时就创建一个唯一的实例对象

🍪特点

  • 在类加载时就创建实例对象,因此可以保证实例的唯一性。
  • 通过静态方法提供全局访问点,方便其他代码获取该实例。
  • 线程安全,由于在类加载时创建实例,因此不需要考虑多线程并发访问的问题。

(2)模拟实现

// 饿汉模式:一开始(main函数之前)就创建对象
class Singleton
{
public:
    // 静态方法,返回唯一实例对象的地址
    static Singleton* GetInstance()
    {
        return _ins;
    }

    // 向字符串向量中添加元素,保证线程安全
    void Add(const string& str)
    {
        _mtx.lock();    // 获取互斥锁

        _v.push_back(str);  // 执行操作

        _mtx.unlock();  // 释放互斥锁
    }

    // 打印字符串向量中的所有元素,保证线程安全
    void Print()
    {
        _mtx.lock();    // 获取互斥锁

        for (auto& e : _v)
        {
            cout << e << endl;
        }
        cout << endl;

        _mtx.unlock();  // 释放互斥锁
    }

private:
    // 构造函数私有化,禁止外部创建对象
    Singleton()
    {}

    // 防拷贝构造和赋值运算符,保证实例的唯一性
    Singleton(const Singleton& s) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;

private:
    mutex _mtx;         // 互斥锁,保证线程安全
    vector<string> _v;  // 字符串向量,存储数据

    static Singleton* _ins; // 唯一实例对象的地址
};

// 初始化静态成员变量
Singleton* Singleton::_ins = new Singleton();


以上代码实现了一个简单的使用饿汉模式实现的线程安全的单例类。它在类加载时就创建了唯一的实例对象,并提供了全局访问点,适用于需要在整个应用程序中共享一个实例对象的场景。同时,该类的实现还保证了多线程并发访问时的线程安全性,避免了数据竞争和死锁等问题。

(3)优缺点

  • 优点
  1. 实现简单直观,代码易于理解
  2. 线程安全,不需要额外的同步处理,适合在多线程环境中使用。
  3. 对象的创建是在类加载时完成的,可以避免线程安全问题和延迟加载的复杂性
  • 缺点
  1. 在程序运行期间始终存在实例对象,可能会造成资源浪费
  2. 如果该实例对象的创建过程耗时较长,会导致应用程序启动变慢
  3. 不支持延迟加载,无法根据实际需要来创建实例


(4)适用场景

  • 对象的创建过程简单且耗时较短的情况,适合使用饿汉模式。
  • 需要在整个应用程序中共享一个实例对象的情况,适合使用饿汉模式。
  • 在多线程环境下需要保证实例的唯一性和线程安全的情况,适合使用饿汉模式。

总的来说:饿汉模式是一种简单有效的单例模式实现方式,适合于对象创建耗时较短、且需要全局访问的情况。但在实际应用中,需要根据具体需求和性能要求选择适当的单例模式实现方式

2. 懒汉模式

(1)概念

懒汉模式是指在需要时才创建实例对象的单例模式。在懒汉模式中,实例对象的创建被延迟到第一次使用时,而不是在程序启动时就立即创建。这样可以避免在程序启动时创建不必要的实例对象,节省系统资源。

如果单例对象的构造过程耗时且资源占用较多,例如加载插件、初始化网络连接或读取文件等操作,同时在程序运行过程中可能并不经常使用该对象,那么在程序启动时立即进行初始化会导致启动速度缓慢。因此,在这种情况下,采用懒汉模式(延迟加载)是更好的选择。

⭕懒汉模式允许在需要使用该对象时才创建实例,避免了不必要的资源浪费,提高了程序性能。通过

懒汉模式,可以延迟加载单例对象,无需在程序启动时进行初始化,从而避免了启动时的缓慢问题。

(2)模拟实现

🚩思路一(双检查加锁,常规思路)
class Singleton
{
public:
    static Singleton* GetInstance()
    {
        // 双检查加锁,提高效率
        if (_ins == nullptr)  // 第一次检查
        {
            _imtx.lock();  // 加锁

            if (_ins == nullptr)  // 第二次检查,确保线程安全
            {
                _ins = new Singleton;  // 创建单例对象
            }

            _imtx.unlock();  // 解锁
        }

        return _ins;
    }

    // 显示释放单例对象
    static void DelInstance()
    {
        _imtx.lock();  // 加锁
        if (_ins)
        {
            delete _ins;  // 释放单例对象
            _ins = nullptr;  // 将指针置为空
        }
        _imtx.unlock();  // 解锁
    }

    // 内部类:用于单例对象的资源回收和持久化
    class GC
    {
    public:
        ~GC()
        {
            DelInstance();  // 调用DelInstance()函数进行资源回收和持久化
        }
    };

    // 内部静态成员变量,用于实现单例模式
    static Singleton* _ins;
    static mutex _imtx;  // 互斥锁,保证线程安全

    // 添加数据到vector中
    void Add(const string& str)
    {
        _vmtx.lock();  // 加锁

        _v.push_back(str);  // 添加数据到vector中

        _vmtx.unlock();  // 解锁
    }

    // 输出vector中的数据
    void Print()
    {
        _vmtx.lock();  // 加锁

        for (auto& e : _v)
        {
            cout << e << endl;  // 输出vector中的数据
        }
        cout << endl;

        _vmtx.unlock();  // 解锁
    }

    // 析构函数,用于实现单例对象的持久化
    ~Singleton()
    {
        // 比如要求程序结束时,将数据写到文件,单例对象析构时持久化就比较好
    }

private:
    // 私有构造函数,限制类外部创建对象
    Singleton()
    {}

    // 防拷贝
    Singleton(const Singleton& s) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;

    mutex _vmtx;  // 互斥锁,保证线程安全
    vector<string> _v;  // 存储数据的vector

    static GC _gc;  // 内部类对象,用于单例对象析构时进行资源回收和持久化
};

// 初始化静态成员变量
Singleton* Singleton::_ins = nullptr;
mutex Singleton::_imtx;
Singleton::GC Singleton::_gc;

🚩思路二(使用静态局部变量的方式来实现单例模式)
class Singleton
{
public:
    // 获取单例对象的接口函数
    static Singleton* GetInstance()
    {
        // 使用静态局部变量实现单例模式,保证线程安全
        // C++11之前,这里不能保证初始化静态对象的线程安全问题
        // C++11之后,这里可以保证初始化静态对象的线程安全问题
        static Singleton inst;

        return &inst;
    }

    // 添加数据到vector中
    void Add(const string& str)
    {
        // 加锁,保证线程安全
        _vmtx.lock();

        // 添加数据到vector中
        _v.push_back(str);

        // 解锁,保证线程安全
        _vmtx.unlock();
    }

    // 输出vector中的数据
    void Print()
    {
        // 加锁,保证线程安全
        _vmtx.lock();

        // 遍历vector,输出其中的元素
        for (auto& e : _v)
        {
            cout << e << endl;
        }
        cout << endl;

        // 解锁,保证线程安全
        _vmtx.unlock();
    }

    // 析构函数,用于实现单例对象的持久化
    ~Singleton()
    {
        // 比如要求程序结束时,将数据写到文件,单例对象析构时持久化就比较好
    }

private:
    // 私有构造函数,限制类外部创建对象
    Singleton()
    {
        cout << "Singleton()" << endl;
    }

    // 防拷贝
    Singleton(const Singleton& s) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;

private:
    mutex _vmtx;  // 互斥锁,保证线程安全
    vector<string> _v;  // 存储数据的vector
};

这段代码是使用静态局部变量的方式来实现单例模式。

🚨🚨注意:在 C++11 之前,使用静态局部变量的方式需要注意线程安全问题,因为静态局部变量的初始化只会在第一次调用时进行,如果有多个线程同时调用,可能会导致不同步的问题。但在 C++11 之后,静态局部变量的初始化是线程安全的,因此可以放心使用。

(3)优缺点

  • 优点
  1. 延迟加载:懒汉模式在需要时才创建实例对象,避免了在程序启动时的资源浪费。这对于资源消耗较大的对象特别有用。
  1. 节省系统资源:由于实例对象的创建被延迟到需要时,懒汉模式可以节省系统资源,提高程序的性能。
  2. 线程安全:通过双重判断锁机制,懒汉模式可以在多线程环境下保证线程安全性。
  • 缺点
  1. 复杂性增加:相比饿汉模式,懒汉模式的实现相对复杂,需要考虑线程安全性问题。
  2. 性能损耗:在多线程环境下,由于需要进行双重判断锁机制,可能会导致一定的性能损耗。

(4)适用场景

  • 对象创建耗时较长或占用较多资源:懒汉模式可以避免在程序启动时创建不必要的实例对象,节省系统资源。
  • 需要延迟加载的场景:如果单例对象在程序运行的早期并不会被频繁使用,而只有在特定条件下才会被需要,那么懒汉模式是一个合适的选择。
  • 多线程环境下需要保证线程安全性:通过双重判断锁机制,懒汉模式可以在多线程环境下保证线程安全性,避免多个线程同时创建多个实例对象。

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