单例模式是一种创建型设计模式,其目的是确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点。这样可以确保在整个应用程序中只存在一个实例,避免了多次实例化造成的资源浪费,并且提供了一个统一的访问点以便于对该实例的管理。
#include <iostream>
class Singleton {
private:
// 私有的静态成员变量,用于保存唯一的实例
static Singleton* instance;
// 私有的构造函数,防止外部实例化
Singleton() {
std::cout << "Singleton instance created." << std::endl;
}
public:
// 静态的获取实例的方法
static Singleton* getInstance() {
// 如果实例不存在,则创建一个新的实例
if (instance == nullptr) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
// 其他公有方法
void someOperation() {
std::cout << "Some operation performed." << std::endl;
}
// 防止复制和赋值操作
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
// 在实际应用中可能需要添加析构函数,在程序结束时释放实例资源
~Singleton() {
std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl;
if(instance)
{
delete instance;
}
}
};
// 初始化静态成员变量
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
int main() {
// 获取单例实例
Singleton* singletonInstance1 = Singleton::getInstance();
Singleton* singletonInstance2 = Singleton::getInstance();
// 输出实例地址,用于验证是否是同一个实例
std::cout << "Instance 1 address: " << singletonInstance1 << std::endl;
std::cout << "Instance 2 address: " << singletonInstance2 << std::endl;
// 调用实例方法
singletonInstance1->someOperation();
singletonInstance2->someOperation();
// 注意:在实际应用中不需要手动释放单例实例,程序结束时会自动调用析构函数释放资源
return 0;
}
这个示例中,Singleton
类有一个私有的静态成员变量 instance
,用于保存唯一的实例。构造函数是私有的,通过静态的 getInstance()
方法获取实例,如果实例不存在,则在这个方法中创建一个新的实例。这确保了在整个应用程序中只存在一个实例。
在 main
函数中,通过调用 getInstance()
获取实例,并输出实例地址,验证是否是同一个实例。然后调用实例的方法,演示了单例模式的用法。最后,注意在实际应用中,不需要手动释放单例实例,因为在程序结束时会自动调用析构
static Singleton* getInstance() {
// 如果实例不存在,则创建一个新的实例
if (instance == nullptr) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
上述示例的创建,并不是多线程安全的。当同时有两个线程都进入了 if (instance == nullptr) 条件,就有可能创建两次。
#include <iostream>
#include <mutex> // 包含互斥锁的头文件
class Singleton {
private:
static Singleton* instance;
static std::mutex mutex; // 声明互斥锁
Singleton() {
std::cout << "Singleton instance created." << std::endl;
}
public:
static Singleton* getInstance() {
// 使用互斥锁保证多线程安全
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
if (instance == nullptr) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
void someOperation() {
std::cout << "Some operation performed." << std::endl;
}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
~Singleton() {
std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl;
if(instance)
{
delete instance;
}
}
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;
在上述示例中,引入了一个静态的 std::mutex
类型的成员变量 mutex
,并在 getInstance()
方法中使用 std::lock_guard
对 mutex
进行加锁操作。这样就保证了在任何时刻只有一个线程可以进入 getInstance()
方法,从而避免了多线程环境下的竞态条件问题,保证了单例模式在多线程环境下的正确性。
但是还是存在问题,这里是读取资源,加锁代价会过高
使用双重检查锁(double-checked locking)机制。双重检查锁可以在保证线程安全的同时,尽量减小锁的粒度,从而提高性能。
#include <iostream>
#include <mutex>
class Singleton {
private:
static Singleton* instance;
static std::mutex mutex; // 声明互斥锁
Singleton() {
std::cout << "Singleton instance created." << std::endl;
}
public:
static Singleton* getInstance() {
if (instance == nullptr) { // 第一次检查,避免不必要的加锁
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex); // 加锁
// 双重检查,防止多个线程同时通过第一次检查
if (instance == nullptr) {
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
void someOperation() {
std::cout << "Some operation performed." << std::endl;
}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
~Singleton() {
std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl;
if(instance)
{
delete instance;
}
}
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;
在这个优化版本中,首先进行了一个简单的检查,如果 instance
不为空,则无需加锁,直接返回实例。只有当 instance
为空时才会加锁进行双重检查,确保只有一个线程能够创建实例。
双重检查锁的机制可以在多线程环境下保证高效的单例模式实现,并且相比直接加锁的方式,减小了锁的粒度,降低了性能开销。
但是对象的创建存在reorder情况
std::call_once
和 std::once_flag
继续改进
#include <iostream>
#include <mutex>
class Singleton {
private:
static Singleton* instance;
static std::mutex mutex; // 声明互斥锁
Singleton() {
std::cout << "Singleton instance created." << std::endl;
}
public:
static Singleton* getInstance() {
static std::once_flag oc;
std::call_once(oc, [&]
{ instance = new Singleton(); }); // ensure funtion only runninng one
return instance;
}
void someOperation() {
std::cout << "Some operation performed." << std::endl;
}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
~Singleton() {
std::cout << "Singleton instance destroyed." << std::endl;
if(instance)
{
delete instance;
}
}
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;
static Singleton* getInstance() {
static std::once_flag oc;
std::call_once(oc, [&]
{ instance = new Singleton(); }); // 确保函数只运行一次
return instance;
}
这是一种使用 C++11 的 std::call_once
和 std::once_flag
实现的线程安全的单例模式创建方式
std::once_flag
: std::once_flag
是 C++11 引入的标准库类型,用于确保在多线程环境中,相关代码仅执行一次。它被用来保护 std::call_once
中的 lambda 表达式。
std::call_once
: 这是一个 C++11 提供的函数,用于保证在多线程环境中,其内部的代码只会执行一次。它接受一个 std::once_flag
对象和一个可调用对象(如 lambda 表达式)作为参数。在第一次调用 std::call_once
时,会执行传入的可调用对象,之后的调用将不再执行。
Lambda 表达式: 传递给 std::call_once
的 lambda 表达式是一个匿名函数,其中包含了对象的创建逻辑。在这个例子中,lambda 表达式使用 new
运算符创建一个 Singleton
对象,并将其赋值给 instance
。
返回实例: 最后,getInstance
返回 instance
指针。由于 std::call_once
保证其中的代码只运行一次,因此在多线程环境中,多个线程调用 getInstance
也只会创建一个 Singleton
实例。
这种实现方式确保了懒加载(即在需要时才创建实例)和线程安全。如果多个线程同时尝试访问 getInstance
,只有一个线程会成功创建实例,其他线程会等待创建完成后获得实例。这有助于避免竞态条件和不必要的实例创建。
应用示例
想象一下,一个国家只能同时有一个总统。总统代表国家,有严格的安全要求,因此只能有一个实例。这就类似于单例模式,其中总统是一个类,而总统的实例是一个单例对象。
首先,我们定义一个 President 类来代表总统。这个类可能有一些私有成员和公共方法,用于表示总统的属性和行为。
class President {
private:
// 私有构造函数,防止外部实例化
President() {}
// 防止复制和赋值
President(const President&);
President& operator=(const President&);
public:
// 公共静态方法,返回总统实例
static President& getInstance() {
// static President instance;
static std::once_flag oc;
std::call_once(oc, [&]
{ instance = new Singleton(); }); // 确保函数只运行一次
return instance;
}
// 其他公共方法,用于总统的行为
void deliverSpeech() {
// 实现发表演讲的逻辑
}
// 其他方法...
};
现在,我们可以在程序的其他地方使用 President 类来获取总统的实例,并调用其方法。
int main() {
President& president = President::getInstance();
president.deliverSpeech();
// 其他操作...
return 0;
}
单一实例: President 类保证只有一个实例存在,这就是当前的总统。
全局访问点: 通过 President 类的静态成员函数 getInstance()
可以获得总统的实例。这个函数提供了全局的访问点,使得任何地方都可以获取到总统的实例。
线程安全: 在 C++11 及以上版本中,使用静态局部变量确保了 President 类的单一实例是线程安全的。因为静态局部变量只会在首次访问时进行初始化,而且 C++11 提供的线程安全的初始化保证了多线程环境下的安全性。
总的来说,President 类通过单例模式的设计确保了只有一个总统实例存在,并提供了全局的访问点,以便在程序的任何地方都可以访问到该实例。
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