C++單例模式真的簡單嗎?-創(chuàng)新互聯(lián)
設(shè)計(jì)模式簡介:
設(shè)計(jì)模式描述了對(duì)象如何進(jìn)行通信才能不牽涉相互的數(shù)據(jù)模型和方法。 保持這種獨(dú)立性一直是一個(gè)好的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的目標(biāo)。 Gang of Four的“Design Patterns: Elements of Resualbel Software”書將設(shè)計(jì)模式 歸納為三大類型，共23種。 創(chuàng)建型模式 : 通常和對(duì)象的創(chuàng)建有關(guān)，涉及到對(duì)象實(shí)例化的方式。（共5種模式) 行為型模式： 通常和對(duì)象間通信有關(guān)。(共11種模式) 結(jié)構(gòu)型模式： 描述的是如何組合類和對(duì)象以獲得更大的結(jié)構(gòu)。(共7種模式) 類模式描述的是如何使用繼承提供更有用的程序接口。 而對(duì)象模式描述的是如何通過使用對(duì)象組合或?qū)?duì)象包含在其他對(duì)象里， 將對(duì)象組合成更大的一個(gè)結(jié)構(gòu)。
單例模式的適用范圍:
1、單例模式可以保證：在一個(gè)應(yīng)用程序中，一個(gè)類有且只有一個(gè)實(shí)例， 并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)。 2、在程序設(shè)計(jì)過程中，有很多情況需要確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例。 例如： windows系統(tǒng)中只能有一個(gè)窗口管理器 某個(gè)程序中只能有一個(gè)日志輸出系統(tǒng) 一個(gè)GUI類庫中，有且只有一個(gè)ImageManager 還有其他無數(shù)種情況
教科書中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn):
教課書中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn):
1、優(yōu)點(diǎn)：該實(shí)現(xiàn)是一個(gè)"懶漢"單例模式，意味著只有在第一次調(diào)用GetInstance()，靜 態(tài)方法的時(shí)候才進(jìn)行內(nèi)存分配。如果整個(gè)程序不調(diào)用該靜態(tài)方法，則不會(huì)分配內(nèi)存。相對(duì)應(yīng)的是"餓漢"單例模式。 2、缺點(diǎn)： 1) "懶漢"模式雖然有優(yōu)點(diǎn)，但是每次調(diào)用GetInstance()靜態(tài)方法時(shí)， 必須判斷NULL == m_instance，使程序相對(duì)開銷增大。 2) 由于使用指針動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，我們必須在程序結(jié)束時(shí)， 手動(dòng)的調(diào)用ReleaseInstance()靜態(tài)方法，進(jìn)行內(nèi)存的釋放。 3) 教科書標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)大的缺點(diǎn)是線程不安全。 根據(jù)該模式的定義，整個(gè)應(yīng)用程序中，不管是單線程，還是多線程， 都只能有且只有該類的一個(gè)實(shí)例。而在多線程中會(huì)導(dǎo)致多個(gè)實(shí)例的產(chǎn)生， 從而導(dǎo)致運(yùn)行代碼不正確以及內(nèi)存的泄露。
教課書中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的線程不安全性演示:
1、我們創(chuàng)建3個(gè)輔助線程，外加main主線程，一共有4個(gè)線程。 2、我們在每個(gè)輔助線程里面調(diào)用GetInstance()靜態(tài)方法，由于每個(gè)線程 回調(diào)函數(shù)速度非?？?，導(dǎo)致每個(gè)線程在判斷NULL==m_instance時(shí)， 都返回true,從而導(dǎo)致每個(gè)線程回調(diào)函數(shù)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)CSingleton1對(duì) 象并返回指向該對(duì)象的指針。 3、我們根本沒辦法進(jìn)行CSingleton1的內(nèi)存釋放，因?yàn)樵诙嗑€程中， 我們根本不知道是創(chuàng)建了1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)CSingleton1的實(shí)例
Meyers Singleton Pattern實(shí)現(xiàn)：
Meyers Singleton Pattern的優(yōu)缺點(diǎn) ：
1、優(yōu)點(diǎn)： 1) 該實(shí)現(xiàn)是一個(gè)"懶漢"單例模式，意味著只有在第一次調(diào)用GetInstance()時(shí)才會(huì) 實(shí)例化。 2) 不需要每次調(diào)用GetInstance()靜態(tài)方法時(shí)，必須判斷NULL==m_instance,效 率相對(duì)高一些。 3) 使用對(duì)象而不是指針分配內(nèi)存，因此自動(dòng)回調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄露。 4) 在多線程下的確能夠保證有且只有一個(gè)實(shí)例產(chǎn)生。 2、缺點(diǎn)： 在某些編譯器中，在多線程情況下，并不是真正意義上的線程安全的實(shí)現(xiàn)
Meyers Singleton Pattern缺點(diǎn)演示：
我們修改一下前面線程函數(shù)
Meyers Singleton Pattern線程不安全性的原因:
這是因?yàn)镃++中構(gòu)造函數(shù)并不是線程安全的。 C++中的構(gòu)造函數(shù)簡單來說分兩步： 第一步：內(nèi)存分配 第二步：初始化成員變量 由于多線程的關(guān)系，可能當(dāng)我們在分配內(nèi)存好了以后，還沒來得急初始化成員變量，就 進(jìn)行線程切換，另外一個(gè)線程拿到所有權(quán)后，由于內(nèi)存已經(jīng)分配了，但是變量初始化還 沒進(jìn)行，因此打印成員變量的相關(guān)值會(huì)發(fā)生不一致現(xiàn)象。 結(jié)論：Meyers方式雖然能確保在多線程中產(chǎn)生唯一的實(shí)例，但是不能確保成員變量的值是否正確.
需求描述(實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程安全且無內(nèi)存泄漏的C++單例模式)：
1) 是一個(gè)"懶漢"單例模式，按需內(nèi)存分配。 2) 基于模板實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的通用性。 3) 自動(dòng)內(nèi)存析構(gòu)，不存在內(nèi)存泄露問題(使用std::tr1::shared_ptr)。 4) 在多線程情況下，是線程安全的。 5) 盡可能的高效。(線程安全必定涉及到線程同步，線程同步分為內(nèi)核級(jí)別和用戶級(jí)別的 同步對(duì)象，用戶級(jí)別效率遠(yuǎn)高于內(nèi)核級(jí)別的同步對(duì)象，而用戶級(jí)別效率最高的是 InterlockedXXXX系列API)。 6) 這個(gè)實(shí)際上也是一個(gè)Double-Checked Locking實(shí)現(xiàn)的單例模式。是傳統(tǒng)的Double- Checked-Locking變異版本。
線程安全的單例模式實(shí)現(xiàn)(基礎(chǔ)版)
線程安全的單例模式(基礎(chǔ)版)的測試
線程安全的單例模式(基礎(chǔ)版)存在的不足
單例的一個(gè)原則就是禁止構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)為public，防止外部實(shí)例化，僅允許調(diào)用GetInstance()等靜態(tài)方法進(jìn)行初始化。
由于使用模板技術(shù)，如果我們不將基類和子類的構(gòu)造和析構(gòu)函數(shù)設(shè)置為public級(jí)別，模板實(shí)例化導(dǎo)致編譯器報(bào)錯(cuò)。
線程安全的單例模式(基礎(chǔ)版)的修正
1、修正構(gòu)造函數(shù)：
1) 將基類CSingletonPtr的構(gòu)造函數(shù)為protected訪問級(jí)別。
2) 每一個(gè)繼承自CSingletonPtr的子類也將構(gòu)造函數(shù)聲明為protected訪問級(jí)別，并在繼 承類中聲明友元類。
3) 在上述代碼設(shè)定以后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于構(gòu)造函數(shù)，通過子類授權(quán)給基類的方式，我們 能夠很順利的通過編譯，代碼正確的運(yùn)行。
這樣我們解決了防止第三方調(diào)用Manager的構(gòu)造函數(shù)，Manager類的構(gòu)造函數(shù)只允許在
GetInstance()靜態(tài)方法中被調(diào)用。
2、修正析構(gòu)函數(shù)：
我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于析構(gòu)函數(shù)，它依舊是public訪問級(jí)別的，為什么不讓析構(gòu)函數(shù)也聲明為
protected級(jí)別呢?
因?yàn)橛捎谖覀兪褂昧藄td::tr1::shared_ptr(與boost::shared_ptr基本一致),Manager類的析構(gòu)委托給了shared_ptr ，而Manager授權(quán)給的是其基類。所以如果我們將析構(gòu)函數(shù)設(shè)置為protected級(jí)別，編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)。
那么我們第一個(gè)反應(yīng)就是我們繼續(xù)在Manager中授權(quán)shared_ptr。但是沒成功?？赡苁怯捎趕hared_ptr實(shí)現(xiàn)的機(jī)制導(dǎo)致不能成功。
難道我們真的沒有辦法將析構(gòu)函數(shù)修正為受保護(hù)級(jí)別嗎?
山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村！
強(qiáng)大的shared_ptr刪除器的出現(xiàn)解決了我們的問題！
1) 在基類CSingletonPtr中聲明并實(shí)現(xiàn)一個(gè)訪問級(jí)別為private的嵌套類Deleter，代表一個(gè)刪除器。 重載函數(shù)調(diào)用操作符，該刪除器類實(shí)際是一個(gè)仿函數(shù)對(duì)象。
2) 在GetInstance()靜態(tài)函數(shù)中增加刪除器設(shè)置代碼，見圖紅色部分。 一旦我們設(shè)置好刪除器，那么在shared_ptr析構(gòu)時(shí)不會(huì)直接調(diào)用delete而是調(diào)用刪除器。 這樣我們 就將子類T的析構(gòu)函數(shù)隱藏起來，不被外部調(diào)用。 3) 每一個(gè)繼承自CSingletonPtr的子類也將構(gòu)造函數(shù)聲明為protected訪問級(jí)別，但不需 要聲明授權(quán)友元類。
通過上述步驟，我們將基類和子類的構(gòu)造函數(shù)都聲明為受保護(hù)級(jí)別，以防止外部調(diào)用。這樣整個(gè)單例子類的生命周期都由shared_ptr控制。
3、修正GetInstance()靜態(tài)方法：
基礎(chǔ)版的GetInstance()靜態(tài)方法返回的是tr1::shared_ptr結(jié)構(gòu)，這樣導(dǎo)致每次調(diào)用
GetInstance()都會(huì)使shared_ptr的引用計(jì)數(shù)加1并調(diào)用shared_ptr的拷貝構(gòu)造函數(shù)。在
調(diào)用完成GetInstance()->Print方法后，又將臨時(shí)產(chǎn)生的shared_ptr對(duì)象引用計(jì)數(shù)減1，
這樣對(duì)效率有非常大的影響。
我們要避免這種情況，那么我們要做的是修改代碼，直接在GetInstance（)中返回T的引用。
更進(jìn)一步，我們使用編譯器提供的本質(zhì)函數(shù)。
線程安全的單例模式(修正版)的優(yōu)缺點(diǎn)
1、優(yōu)點(diǎn)：該實(shí)現(xiàn)是一個(gè)"懶漢"單例模式，意味著只有在第一次調(diào)用GetInstance() 靜態(tài)方法的時(shí)候才進(jìn)行內(nèi)存分配。 通過模板和繼承方式，獲得了足夠通用的能力。 在創(chuàng)建單例實(shí)例的時(shí)候，具有線程安全性。 通過智能指針方式，防止內(nèi)存泄露。 具有相對(duì)的高效性。 2、 缺點(diǎn)：肯定沒有單線程版本的效率高。 每個(gè)子類必須要授權(quán)基類，我們可以寫一個(gè)宏減少輸入： #define DECLARE_SINGLETON_CLASS(type) \ friend class CSingletonPtr;
餓漢類型單例模式實(shí)現(xiàn)(終極版)
餓漢模式意味著在主線程(main函數(shù)代表主線程)之前就對(duì)類進(jìn)行內(nèi)存分配和初始化。實(shí)現(xiàn)代碼如下:
餓漢類型單例模式測試
單例模式四種實(shí)現(xiàn)總結(jié)
從編譯器以及是否線程安全方面考慮：
1、如果你使用vc6編譯器，請放棄設(shè)計(jì)模式。 2、如果你整個(gè)程序是單線程的，那么標(biāo)準(zhǔn)模式或Meyers單例模式是你最佳選擇。 3、如果你使用符合C++0X標(biāo)準(zhǔn)的編譯器的話，由于C++0X標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：要求編譯器保證內(nèi) 部靜態(tài)變量的線程安全性。 目前只有VS2015支持內(nèi)部靜態(tài)變量的線程安全性，因此Meyers單例模式是你最佳選擇。 4、如果你使用VC6以后，vc2010以下版本的編譯器的話，并且需要線程安全，則使用實(shí)現(xiàn)的Double-Checked-Locking版本的單件模式。
從單例模式實(shí)現(xiàn)的角度考慮：
1、總是避免第三方調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)以及賦值操作符 2、總是避免第三方調(diào)用構(gòu)造函數(shù) 3、盡量避免第三方調(diào)用析構(gòu)函數(shù) 4、總是需要一個(gè)靜態(tài)方法用于全局訪問
本篇文檔寫于2010年，當(dāng)時(shí)還是以vs2008為主，因此并沒有符合c++0x標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)如今都vs2015了，c++11標(biāo)準(zhǔn)都普及了，因此Meyers單例模式是你最佳選擇。
不過關(guān)于上面的shared_ptr方面的應(yīng)用，還是很有價(jià)值的。shared_ptr已成為目前c++內(nèi)存操作的主流技術(shù)。
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新聞名稱：C++單例模式真的簡單嗎?-創(chuàng)新互聯(lián)
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