【Singleton Pattern】设计模式之单例模式

简介: 【Singleton Pattern】设计模式之单例模式

1.单例模式定义


单例模式:确保一个类只能有一个实例,并且提供一个全局访问来访问这个唯一实例。单例模式中的要点

(1) 该类只能有一个实例;

(2) 该类必须自己创建这个实例;

(3) 该类必须自己向整个系统提供这个实例;


2.单例模式UML图


单例模式结构简单,它的UML图如下所示。仅包含一个类,即单例类。为了防止创建多个对象,其构造函数必须是私有的(private),这样外界就不能访问。另外,为了能提供一个全局访问点来访问此唯一实例,单例类中提供了一个公有方法getInstance()来返回唯一实例


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3.单例模式入门实战


#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__
#include <iostream>
using namespace std;
// 单例类
class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance(){  // 外界通过static方法getInstance()方法获取单例对象,满足要点3
        if(instance == nullptr){
            cout << "创建一个新的实例对象\n";
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
private:
    Singleton(){}   // 构造函数是私有的,即单例模式中对象仅能在单例类的内部实例化,满足要点2
    static Singleton* instance;  // 实例对象instance是static,即全局的,客户端程序中若要实例化两个Singleton对象,但instance仅有一个,满足要点1
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
// 客户端程序
int main(){
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
    return 0;
}
#endif // __SINGLETON_H__


64.png


4.多线程环境下的单例模式


上面的入门实战程序中,实现了基本的单例模式。请思考一下多线程环境下如何实现安全的单例模式?在多线程环境中,当两个甚至多个线程同时使用,同样存在创建了多个实例对象的隐患问题。下面代码是多线程环境下,非线程安全的示例:


#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__
#include <iostream>
#include <process.h>
#include <windows.h>
#define THREAD_NUM  5
using namespace std;
// 单例类
class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance(){  // 外界通过static方法getInstance()方法获取单例对象,满足要点3
        if(instance == nullptr){
            cout << "创建一个新的实例对象\n";
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
private:
    Singleton(){}   // 构造函数是私有的,即单例模式中对象仅能在单例类的内部实例化,满足要点2
    static Singleton* instance;  // 实例对象instance是static,即全局的,客户端程序中若要实例化两个Singleton对象,但instance仅有一个,满足要点1
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
unsigned int __stdcall CallSingleton(void *pPM){
    Singleton* s = Singleton::getInstance();
    int nThreadNum = *(int*)pPM;
    Sleep(50);
    cout << "线程编号: " << nThreadNum << endl;
    return 0;
}
// 客户端程序
int main(){
    HANDLE handle[THREAD_NUM];
    // 线程编号
    int threadNum = 0;
    while (threadNum < THREAD_NUM){
        handle[threadNum] = (HANDLE)_beginthreadex(nullptr, 0, CallSingleton, &threadNum, 0, nullptr);
        // 等子线程接收到参数时,主线程可能会改变这个i值
        threadNum++;
    }
    // 保证子线程已全部运行结束
    WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
    return 0;
}
#endif // __SINGLETON_H__

上面的程序中一共创建5个线程,每个线程中都会试图去创建一个单例对象。理论上,最终只有第一个线程(第一个被系统调度的线程)才能打印出“创建一个新的实例对象。以下结果说明:上面的单例模式代码并不是线程安全的


63.png


如何做到线程安全?多线程同步与互斥有多种方法,下面使用互斥锁来实现。


#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <process.h>
#include <windows.h>
#define THREAD_NUM 5
using namespace std;
// 单例类
class Singleton
{
public:
    static Singleton *getInstance()
    {
        if (instance == nullptr)
        {
            m_mutex.lock();  // 互斥锁
            if (instance == nullptr)
            {
                cout << "创建一个新的实例对象\n";
                instance = new Singleton();
            }
            m_mutex.unlock();
        }
        return instance;
    }
private:
    Singleton() {}
    static Singleton *instance;
    static mutex m_mutex;
};
Singleton *Singleton::instance = nullptr;
mutex Singleton::m_mutex;
unsigned int __stdcall CallSingleton(void *pPM){
    Singleton* s = Singleton::getInstance();
    int nThreadNum = *(int*)pPM;
    Sleep(50);
    cout << "线程编号: " << nThreadNum << endl;
    return 0;
}
// 客户端程序
int main(){
    HANDLE handle[THREAD_NUM];
    // 线程编号
    int threadNum = 0;
    while (threadNum < THREAD_NUM){
        handle[threadNum] = (HANDLE)_beginthreadex(nullptr, 0, CallSingleton, &threadNum, 0, nullptr);
        // 等子线程接收到参数时,主线程可能会改变这个i值
        threadNum++;
    }
    // 保证子线程已全部运行结束
    WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
    return 0;
}
#endif // __SINGLETON_H__


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5.单例模式总结



优点:

(1) 单例模式提供了严格的对唯一实例对象的创建和访问

(2) 单例模式的实现可以节省系统资源



缺点:

(1) 多线程下使用单例模式,需要考虑线程安全问题

(2) 单例模式没有抽象层,不好扩展

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