单例模式是一个设计模式,其目的是确保一个类只有一个实例,并提供一个全局的访问点来访问该实例。单例模式常用于需要控制资源数量的场景,比如数据库连接池、日志管理器等。下面介绍常见的单例模式的实现方式。
观察下面代码:
class EagerSingleton { private: // 私有构造函数,防止外部实例化 EagerSingleton() {} // 禁用拷贝构造函数和赋值运算符 EagerSingleton(const EagerSingleton&) = delete; EagerSingleton& operator=(const EagerSingleton&) = delete; // 静态实例,类加载时初始化 static EagerSingleton instance; public: // 提供全局访问点 static EagerSingleton& getInstance() { return instance; } }; // 初始化静态实例 EagerSingleton EagerSingleton::instance;
要想实现单例,从两个方面入手:1.如何实现禁止构造2个或者2个以上的实例化对象。2.如何实现只构造一个对象。
对于前者,我们可以将构造函数私有化,这样就不能在类外部构造对象了。那怎么保证拥有一个实例化对象呢?这一点可以在类中使用static修饰一个该类的实例对象,这样就能在程序加载的时候自动创建一个实例化对象,由于static成员属于类本身的特性,所以能使用私有的构造函数,且只会加载一次。
要想使用这个单例,就需要一个static修饰的成员方法专门用来提供全局的访问点,因为static成员函数可以直接通过类名使用,不需要创建实例化对象。 此外静态成员变量需要在类外部初始化。
观察下面代码
class LazySingleton { private: // 私有的静态指针变量,用于指向唯一的实例 static LazySingleton* instance; // 私有构造函数,防止外部实例化 LazySingleton() {} public: // 提供全局访问点 static LazySingleton* getInstance() { if (instance == nullptr) { instance = new LazySingleton(); } return instance; } }; // 初始化静态指针变量 LazySingleton* LazySingleton::instance = nullptr;
注意其中和饿汉实现方式的区别,懒汉实现单例模式中static修饰的是一个实例对象的指针。这样一来,类加载的时候就不会构造自动一个实例化对象。具体的观察这一段代码:
static LazySingleton* getInstance() { if (instance == nullptr) { instance = new LazySingleton(); } return instance; }
这一段代码保证了该类只能实例化对象一次,且只在第一次调用getInstance()
函数时才会创建。这样一来也能实现单例模式。但是和饿汉模式不一样的是,这种单例模式只在第一次使用的时候实例化一个对象,而饿汉模式是程序开始时不管你用不用都会实例化一个。这种机制又被称为延迟实例化机制。此外,这种机制在多线程模式下是不安全的。比如可能会有多个线程new LazySingleton();
为了保证线程安全,我们需要使用锁来保证创建实例化对象时同步。例如下面代码:
#include class LazySingleton { private: static LazySingleton* instance; static std::mutex mtx; LazySingleton() {} public: static LazySingleton* getInstance() { std::lock_guard lock(mtx); if (instance == nullptr) { instance = new LazySingleton(); } return instance; } }; // 初始化静态变量 LazySingleton* LazySingleton::instance = nullptr; std::mutex LazySingleton::mtx;
上面加锁方式在每次调用getInstance()
这个函数的时候都会加一次锁,频繁的调用该函数可能会造成一定的性能问题。
对于上面加锁方式还可以进一步进行优化,例如采用双重检查锁定,具体优化的代码如下:
#include class LazySingleton { private: static LazySingleton* instance; static std::mutex mtx; LazySingleton() {} public: static LazySingleton* getInstance() { if (instance == nullptr) { std::lock_guard lock(mtx); if (instance == nullptr) { instance = new LazySingleton(); } } return instance; } }; // 初始化静态变量 LazySingleton* LazySingleton::instance = nullptr; std::mutex LazySingleton::mtx;
这样一来,只有在首次创建对象时会上锁,其余时候都不会也不需要。