C++设计模式笔记——单例模式 Singleton_c++ singleton 关键字

笔记参照内容来自尚硅谷的《Java设计模式课程》，GOF的《设计模式》和《大话设计模式》等资料，之后实现C++版本。

1 单例模式（C++版本）

1.1 饿汉式

饿汉式（静态常量）应用实例：

1.构造器私有化（防止类被调用new操作）；

2.类的内部创建对象；

3.向外暴露一个静态的公共方法；getInstance();

//饿汉式单例模式
#include <iostream>

class Singleton
{
public:
    static Singleton* getInstance()
    {
        return single;
    }
private:
    Singleton()
    {

    }
    static Singleton* single;
};
//类内的静态变量  在类外初始化，并且初始化加类型，但是不添加static关键字，和普通的静态变量以做区分
Singleton* Singleton::single=new Singleton();

int main()
{
    Singleton* single1=Singleton::getInstance();
    Singleton* single2=Singleton::getInstance();
    std::cout<<"single1 address:"<<single1<<std::endl;
    std::cout<<"single1 address:"<<single2<<std::endl;
}
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优缺点：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费（因为无论类有没有被加载，静态变量均在main函数执行之前就执行了初始化）

1.2 懒汉式创建方法 （线程不安全）

在调用getInstance()函数的时候，才对静态变量进行实例化；

这样可以避免饿汉式的内存浪费

//线程不安全  懒汉式   单例模式
#include <iostream>
#include <thread>

class Singleton
{
public:
    static Singleton* getInstance()
    {
        if (single==nullptr)
        {
            single=new Singleton();
            std::cout<<"single address:"<<single<<std::endl;
        }
        return single;
    }
private:
    Singleton()
    {}
    static Singleton* single;
};

Singleton* Singleton::single=nullptr;

int main()
{
    Singleton* single1=Singleton::getInstance();
    Singleton* single2=Singleton::getInstance();
    std::cout<<"single1 address:"<<single1<<std::endl;
    std::cout<<"single2 address:"<<single2<<std::endl;
}
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缺点：在多线程情况下，无法做到线程安全，可能导致创建多个类的实例，从而使得单例模式失效；

1.3 线程安全 懒汉式

在创建时，进行加锁操作，实现线程同步，从而保证线程安全性；

//线程安全  懒汉式   单例模式
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

class Singleton
{
public:
    static Singleton* getInstance()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> guard(m_mutex);
        if (single==nullptr)
        {
            single=new Singleton();
            std::cout<<"single address:"<<single<<std::endl;
        }
        return single;
    }
private:
    Singleton()
    {}
    static Singleton* single;
    static std::mutex m_mutex;
};

Singleton* Singleton::single=nullptr;
std::mutex Singleton::m_mutex;
#include <pthread.h>
int main()
{
    Singleton* single1=Singleton::getInstance();
    Singleton* single2=Singleton::getInstance();
    // std::thread th1(&Singleton::getInstance);
    // th1.join();
    std::cout<<"single1 address:"<<single1<<std::endl;
    std::cout<<"single2 address:"<<single2<<std::endl;
}
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缺点：执行效率比较低，

作为单例模式，单例最少在使用第一次的时候已经创建好，直接返回即可，而现在的方式每次都需要进行加锁操作；

1.4 双重检查 单例模式 （线程安全，推荐使用）

对线程安全的懒汉式进行改进；

主要改进方法：1.缩小锁的范围，这种方法使得在线程的单例不为空时，直接返回，而不会使用到锁；

2.同时，如果线程单例为空，又会加锁，保证线程安全；

//线程安全  懒汉式   单例模式
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

class Singleton
{
public:
    static Singleton* getInstance()
    {
        if (single==nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> guard(m_mutex);
            if (single==nullptr)
            {
                single=new Singleton();
            }
            // std::cout<<"single address:"<<single<<std::endl;
        }
        return single;
    }
private:
    Singleton()
    {}
    static Singleton* single;
    static std::mutex m_mutex;
};
//原来java版本中  包含了关键字  volatile
Singleton* Singleton::single=nullptr;
std::mutex Singleton::m_mutex;
#include <pthread.h>
int main()
{
    Singleton* single1=Singleton::getInstance();
    Singleton* single2=Singleton::getInstance();
    std::thread th1(&Singleton::getInstance);
    th1.join();
    std::cout<<"single1 address:"<<single1<<std::endl;
    std::cout<<"single2 address:"<<single2<<std::endl;
}
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推荐在多线程环境中使用。

1.5 静态内部类（Java中类似的可实现懒汉效果，C++不行）

C++无法通过类内的成员类实现懒汉的效果；

经过调试，类内的静态成员变量在main()之前就已经加载完毕；

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton
{
public:
    static Singleton* getInstance()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> guard(s_mutex);
        return SingletonInstance::instance;
    }
private:
    class SingletonInstance
    {
    public:
        static Singleton* instance;
    };
    static std::mutex s_mutex;    
};

std::mutex Singleton::s_mutex;
//java中的静态变量可以直接在类内进行初始化   而C++不行，所以不一定能起到饿汉的效果
//经过调试C++起不到懒汉的效果，因为类内静态变量在main函数执行之前就被加载了
Singleton* Singleton::SingletonInstance::instance=new Singleton();

int main()
{
    Singleton* single1=Singleton::getInstance();
    Singleton* single2=Singleton::getInstance();
    Singleton* single3=Singleton::getInstance();
    std::cout<<"single1:"<<single1<<std::endl;
    std::cout<<"single2:"<<single2<<std::endl;
    std::cout<<"single3:"<<single3<<std::endl;
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1.6 在C++中以模板实现单例设计模式

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <string>

template <typename T>
class Singleton
{
public:
    static T* getInstance()
    {
        if (m_val==nullptr){
            std::lock_guard<std::mutex> guard(m_mutex);
            if (m_val==nullptr){
                m_val=new T;
            }
        }
        return m_val;
    }
private:
    static T* m_val;
    static std::mutex m_mutex;
};

template <typename T>
T* Singleton<T>::m_val=nullptr;
template <typename T>
std::mutex Singleton<T>::m_mutex;

class Student
{
public:
    Student():m_num(0),m_name("")
    {}
    Student(int num, const std::string& name):m_num(num),m_name(name)
    {}
    int num() const {return m_num;}
    std::string name() const {return m_name;}
    void setNum(int num)  {m_num=num;}
    void setName(const std::string& name) {m_name=name;}
    void printInfo()
    {
        std::cout<<"num:"<<m_num<<"\t"<<"name:"<<m_name<<std::endl;
    }
private:
    int m_num;
    std::string m_name;
};

int main()
{
    Student* student=Singleton<Student>::getInstance();
    student->setNum(100);
    student->setName("daniel");
    Student* stu1=Singleton<Student>::getInstance();
    stu1->printInfo();
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