設計模式——單例模式
設計模式：設計模式
設計模式表明了最佳實踐，是軟件開發過程當中面臨通常問題的解決方案。 設計模式是一套被反覆使用、通過分類、代碼設計總結的經驗。安全
單例模式
單例模式也叫單件模式。Singleton是一個很是經常使用的設計模式，幾乎全部稍微大一些的程序都會使用到它，因此構建一個線程安全而且 高效的Singleton很重要。多線程
1. 單例類保證全局只有一個惟一實例對象。 併發
2. 單例類提供獲取這個惟一實例的接口。函數
因爲要求只生成一個實例，所以咱們必須把構造函數的訪問權限標記爲protected或private，限制只能在類內建立對象.高併發
單例類要提供一個訪問惟一實例的接口函數（全局訪問點），就須要在類中定義一個static函數，返回在類內部惟一構造的實例。性能
（這樣還能夠確保直接用類名就能訪問到該惟一實例，沒必要用到實例化出的對象名去調用）優化
兩個概念：spa
懶漢模式 （lazy loading ）：第一次調用GetInstance才建立實例對象，比較複雜
餓漢模式： 程序一運行，就建立實例對象、簡潔高效 ，但有些場景下不適用 線程
方法一：不考慮線程安全，只適用於單線程環境的單例類
定義一個靜態的實例，在須要的時候建立該實例 （懶漢模式）
class Singleton
{
public:
//獲取惟一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
if (_instance == NULL)
{
_instance = new Singleton();
}
return _instance;
}
static void DelInstance()
{
if (_instance != NULL)
{
delete _instance;
_instance = NULL;
}
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記爲protected或private，限制只能在類內建立對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
//指向實例的指針定義爲靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
static Singleton* _instance; // 單實例對象
int _data; //單實例對象中的數據
};
// 靜態成員在類外初始化
Singleton* Singleton::_instance = NULL;
這種方法是最簡單、最廣泛的方法。只有在_instance爲NULL的時候纔會建立一個實例以免重複建立。同時咱們把構造函數定義爲私有函數，這樣就能確保只建立一個實例。
可是上述的代碼在單線程的時候工做正常，在多線程的狀況下就有問題了。
設想若是兩個線程同時運行到判斷_instance是否爲NULL的 if 語句那裏，而且_instance以前並未建立時，這兩個線程各自就都會建立一實例，這是就沒法知足單例模式的要求了。
方法二：能在多線程環境下工做，可是效率不高
爲了保障在多線程環境下只獲得一個實例，須要加一把互斥鎖。把上述代碼稍做修改，即：
ps: 下面部分的加鎖使用了C++11庫的互斥鎖
class Singleton
{
public:
//獲取惟一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
//lock(); //C++中沒有直接的lock()
//RAII
//lock lk;
_sMtx.lock(); //C++11
if (_instance == NULL)
{
_instance = new Singleton();
}
//unlock();
_sMtx.unlock();
return _instance;
}
static void DelInstance()
{
if (_instance != NULL)
{
delete _instance;
_instance = NULL;
}
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記爲protected或private，限制只能在類內建立對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
//指向實例的指針定義爲靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
static Singleton* _instance; // 單實例對象
int _data; // 單實例對象中的數據
static mutex _sMtx; // 互斥鎖
};
// 靜態成員在類外初始化
Singleton* Singleton::_instance = NULL;
mutex Singleton::_sMtx;
設想有兩個線程同時想建立一個實例，因爲在一個時刻，只有一個線程能獲得互斥鎖，因此當第一個線程加上鎖後，第二個線程就只能等待。當第一個線程發現實例尚未建立時，它就創建一個實例。接着第一個線程釋放鎖，此時第二個線程進入並上鎖，這個時候因爲實例已經被第一個線程建立出來了，第二個線程就不會重複建立實例了，這樣就保證在多線程環境下只能獲得一個實例。
可是，每次獲取惟一實例，程序都會加鎖，而加鎖是一個很是耗時的操做，在沒有必要的時候，咱們要儘可能避免，不然會影響性能。
方法三：使用雙重檢查，提升效率，避免高併發場景下每次獲取實例對象都進行加鎖，並使用內存柵欄防止重排
class Singleton
{
public:
//獲取惟一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
// 使用雙重檢查，提升效率，避免高併發場景下每次獲取實例對象都進行加鎖
if (_instance == NULL)
{
std::lock_guard<std::mutex> lck(_sMtx);
if (_instance == NULL)
{
// tmp = new Singleton()分爲如下三個部分
// 1.分配空間2.調用構造函數3.賦值
// 編譯器編譯優化可能會把2和3進行指令重排，這樣可能會致使高併發場景下，其餘線程獲取到未調用構造函數初始化的對象
// 如下加入內存柵欄進行處理，防止編譯器重排柵欄後面的賦值到內存柵欄以前
Singleton* tmp = new Singleton();
MemoryBarrier(); //內存柵欄
_instance = tmp;
}
}
return _instance;
}
static void DelInstance()
{
if (_instance != NULL)
{
delete _instance;
_instance = NULL;
}
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記爲protected或private，限制只能在類內建立對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
//指向實例的指針定義爲靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
static Singleton* _instance; // 單實例對象
int _data; // 單實例對象中的數據
static mutex _sMtx; // 互斥鎖
};
// 靜態成員在類外初始化
Singleton* Singleton::_instance = NULL;
mutex Singleton::_sMtx;
試想，當實例還未建立時，因爲 Singleton == NULL ，因此很明顯，兩個線程均可以經過第一重的 if 判斷 ，進入第一重 if 語句後，因爲存在鎖機制，因此會有一個線程進入 lock 語句並進入第二重 if 判斷 ，而另外的一個線程則會在 lock 語句的外面等待。而當第一個線程執行完 new Singleton（）語句退出鎖定區域，第二個線程即可以進入 lock 語句塊，此時，若是沒有第二重Singleton == NULL的話，那麼第二個線程仍是能夠調用 new Singleton（）語句，第二個線程仍舊會建立一個 Singleton 實例，這樣也仍是違背了單例模式的初衷的，因此這裏必需要使用雙重檢查鎖定（第二層if 判斷必須存在）。
多數現代計算機爲了提升性能而採起亂序執行，這使得內存柵欄成爲必須。barrier就象是代碼中的一個柵欄，將代碼邏輯分紅兩段，barrier以前的代碼和barrier以後的代碼在通過編譯器編譯後順序不能亂掉。也就是說，barrier以後的代碼對應的彙編，不能跑到barrier以前去，反之亦然。之因此這麼作是由於在咱們這個場景中，若是編譯器爲了榨取CPU的performace而對彙編指令進行重排，其它線程獲取到未調用構造函數初始化的對象，頗有可能致使出錯。
只有第一次調用_instance爲NULL，而且試圖建立實例的時候才須要加鎖，當_instance已經建立出來後，則不必加鎖。這樣的修改比以前的時間效率要好不少。
可是這樣的實現比較複雜，容易出錯，咱們還能夠利用餓漢模式，建立相對簡潔高效的單例模式。
方法四：餓漢模式--簡潔、高效、不用加鎖、可是在某些場景下會有缺陷
由於靜態成員的初始化在程序開始時，也就是進入主函數以前，由主線程以單線程方式完成了初始化，因此靜態初始化實例保證了線程安全性。在性能要求比較高時，就可使用這種方式，從而避免頻繁的加鎖和解鎖形成的資源浪費。
class Singleton
{
public:
//獲取惟一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
assert(_instance);
return _instance;
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記爲protected或private，限制只能在類內建立對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
static Singleton* _instance; // 單實例對象
int _data; // 單實例對象中的數據
};
Singleton* Singleton::_instance = new Singleton;
代碼實現很是簡潔。建立的實例_instance並非在第一次調用GetInstance接口函數時才建立，而是在初始化靜態變量的時候就建立一個實例。若是按照該方法會過早的建立實例，從而下降內存的使用效率。
方法五：方法四還能夠再簡化點
class Singleton
{
public:
//獲取惟一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
static Singleton instance;
return &instance;
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記爲protected或private，限制只能在類內建立對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
int _data; // 單實例對象中的數據
};
實例銷燬
此處使用了一個內部GC類，而該類的做用就是用來釋放資源
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//帶RAII GC自動回收實例對象的方式
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class Singleton
{
public:
// 獲取惟一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
assert(_instance);
return _instance;
}
// 刪除實例對象
static void DelInstance()
{
if (_instance)
{
delete _instance;
_instance = NULL;
}
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
class GC
{
public:
~GC()
{
cout << "DelInstance()" << endl;
DelInstance();
}
};
private:
Singleton()
:_data(5)
{}
static Singleton*_instance;
int _data;
};
// 靜態對象在main函數以前初始化，這時只有主線程運行，因此是線程安全的。
Singleton* Singleton::_instance = new Singleton;
// 使用RAII，定義全局的GC對象釋放對象實例
Singleton::GC gc;
在程序運行結束時，系統會調用Singleton中GC的析構函數，該析構函數會進行資源的釋放。
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