一、概述

? ? ? ? 單例模式也稱單態(tài)模式，是一種創(chuàng)建型模式，用于創(chuàng)建只能產(chǎn)生一個(gè)對象實(shí)例的類。例如，項(xiàng)目中只存在一個(gè)聲音管理系統(tǒng)、一個(gè)配置系統(tǒng)、一個(gè)文件管理系統(tǒng)、一個(gè)日志系統(tǒng)等，甚至如果吧整個(gè)Windows操作系統(tǒng)看成一個(gè)項(xiàng)目，那么其中只存在一個(gè)任務(wù)管理器窗口等。引入單例模式的實(shí)現(xiàn)意圖：保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例存在，同時(shí)提供能對該實(shí)例訪問的全局方法。

二、單例模式分類

1、懶漢模式

1）代碼示例

class CSingletonImpl
{
public:
?? ?static CSingletonImpl* GetInstance()
?? ?{
?? ??? ?if (m_pInstance == nullptr)
?? ??? ?{
?? ??? ??? ?m_pInstance = new CSingletonImpl;
?? ??? ?}

?? ??? ?return m_pInstance;
?? ?}
private:
?? ?CSingletonImpl(){};
?? ?~CSingletonImpl(){};
?? ?CSingletonImpl(const CSingletonImpl& the);
?? ?CSingletonImpl& operator=(const CSingletonImpl& other);
private:
?? ?static CSingletonImpl* m_pInstance;
};

CSingletonImpl*CSingletonImpl::m_pInstance = nullptr;

2）說明

單例模式為了防止多對象問題，將構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)，拷貝構(gòu)造函數(shù)，賦值運(yùn)算符函數(shù)設(shè)置為私有，同時(shí)設(shè)置公有唯一接口方法來創(chuàng)建對象，同時(shí)定義類靜態(tài)指針。這是通用方法，那么會(huì)有什么問題呢？如果在單一線程中使用則沒什么問題，但是在多線程中使用則可能導(dǎo)致問題，如果多個(gè)線程可能會(huì)因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)時(shí)間片調(diào)度問題切換造成多對象產(chǎn)生，那么解決這個(gè)問題的方案就是對GetInstance()成員函數(shù)枷鎖。

示例代碼：

加入私有成員變量：static std::mutex m_mutex;

static CSingletonImpl* GetInstance()
{

?m_mutex.lock();
?if (m_pInstance == nullptr)
?{
? m_pInstance = new CSingletonImpl;
?}
?m_mutex.unlock();

?return m_pInstance;
}

加入以上代碼沒有問題了嗎？呵呵，還不行，雖然對接口函數(shù)加鎖，從代碼邏輯上沒有問題，實(shí)現(xiàn)了線程安全，但是從執(zhí)行效率上來說，是有大問題的。當(dāng)程序運(yùn)行中GetInstance()可能會(huì)被多個(gè)線程頻繁調(diào)用，每次調(diào)用都會(huì)經(jīng)歷加鎖解鎖的過程，這樣的話會(huì)嚴(yán)重影響程序執(zhí)行效率，而且加鎖機(jī)制僅僅對第一次創(chuàng)建對象有意義，對象一旦創(chuàng)建則變成只讀對象，在多線程中，對只讀對象的訪問加鎖不僅代價(jià)大，而且無意義。那么如何解決這個(gè)問題呢？那就是雙重鎖定機(jī)制，基于這種機(jī)制函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼：

?? ?static CSingletonImpl* GetInstance()
?? ?{
?? ??? ?if (m_pInstance == nullptr)
?? ??? ?{
?? ??? ??? ?std::lock_guard<std::mutex> siguard(si_mutex);
?? ??? ??? ?if (m_pInstance == nullptr)
?? ??? ??? ?{
?? ??? ??? ??? ?m_pInstance = new CSingletonImpl;
?? ??? ??? ?}
?? ??? ?}
?? ??? ?return m_pInstance;
?? ?}

上述雙重鎖定機(jī)制看起來比較完美，但實(shí)際上存在潛在的問題，內(nèi)存訪問重新排序?qū)е码p重鎖定失效的問題，比較推薦的方法時(shí)C++11新標(biāo)準(zhǔn)的一些特性，示例代碼如下：

#include <mutex>
#include <atomic>

//通過原子變量解決雙重鎖定底層問題(load,store)
class CSingletonImpl
{
public:
?? ?static CSingletonImpl* GetInstance()
?? ?{
?? ??? ?CSingletonImpl* task = m_taskQ.load(std::memory_order_relaxed);?
?? ??? ?std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
?? ??? ?if (task == nullptr)
?? ??? ?{
?? ??? ??? ?std::lock_guard<std::m_mutex> lock(m_mutex);
?? ??? ??? ?task = m_taskQ.load(std::memory_order_relaxed);?
?? ??? ??? ?if (task == nullptr)
?? ??? ??? ?{
?? ??? ??? ??? ?task = new CSingletonImpl;
?? ??? ??? ??? ?std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
?? ??? ??? ??? ?m_taskQ.store(task, std::memory_order_relaxed);
?? ??? ??? ?}
?? ??? ?}
?? ??? ?return task;
?? ?}
private:
?? ?CSingletonImpl(){};
?? ?~CSingletonImpl(){};
?? ?CSingletonImpl(const CSingletonImpl& the);
?? ?CSingletonImpl& operator=(const CSingletonImpl& other);
private:
?? ?static std::mutex m_mutex;
?? ?static std::atomic<CSingletonImpl*> m_taskQ;
};

std::mutex CSingletonImpl::m_mutex;
std::atomic<CSingletonImpl*> CSingletonImpl::m_taskQ;

2、餓漢模式

1）示例代碼

class CSingletonImpl
{
public:
?? ?static CSingletonImpl* GetInstance()
?? ?{
?? ??? ?return m_pInstance;
?? ?}
private:
?? ?CSingletonImpl(){};
?? ?~CSingletonImpl(){};
?? ?CSingletonImpl(const CSingletonImpl& the);
?? ?CSingletonImpl& operator=(const CSingletonImpl& other);
private:
?? ?static CSingletonImpl* m_pInstance;
};

CSingletonImpl*CSingletonImpl::m_pInstance = new CSingletonImpl();

2）說明

此類模式可稱為餓漢式--------程序一執(zhí)行不管是否調(diào)用了GetInstance()成員函數(shù)，這個(gè)單例類對象就已經(jīng)被創(chuàng)建了。在餓漢式單例類代碼的實(shí)現(xiàn)必須要注意，如果一個(gè)項(xiàng)目中有多個(gè).cpp源文件，而且這些源文件中包含對全局變量的初始化代碼，例如某個(gè).cpp中可能存在如下代碼：

int g_test =?CSingletonImpl::GetInstance()->m_i; //m_i是int類型變量

那么這樣的代碼是不安全的，因?yàn)槎鄠€(gè)源文件中全局變量的初始化順序是不確定的，很可能造成GetInstance()函數(shù)返回是nullptr,此時(shí)去訪問m_i成員變量肯定會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行異常。所以，對餓漢式單例類對象的使用，應(yīng)該在程序入口函數(shù)開始執(zhí)行后，例如main函數(shù)后。

注意：函數(shù)第一次執(zhí)行時(shí)被初始化的靜態(tài)變量與通過編譯器常量進(jìn)行初始化的基本類型靜態(tài)變量這兩種情況，不要再單例類的析構(gòu)函數(shù)中引用其他單例類對象。