c++的单例模式及c++11对单例模式的优化
单例模式
单例模式,可以说设计模式中最常应用的一种模式了,据说也是面试官最喜欢的题目。但是如果没有学过设计模式的人,可能不会想到要去应用单例模式,面对单例模式适用的情况,可能会优先考虑使用全局或者静态变量的方式,这样比较简单,也是没学过设计模式的人所能想到的最简单的方式了。
一般情况下,我们建立的一些类是属于工具性质的,基本不用存储太多的跟自身有关的数据,在这种情况下,每次都去new一个对象,即增加了开销,也使得代码更加臃肿。其实,我们只需要一个实例对象就可以。如果采用全局或者静态变量的方式,会影响封装性,难以保证别的代码不会对全局变量造成影响。
考虑到这些需要,我们将默认的构造函数声明为私有的,这样就不会被外部所new了,甚至可以将析构函数也声明为私有的,这样就只有自己能够删除自己了。在Java和C#这样纯的面向对象的语言中,单例模式非常好实现,直接就可以在静态区初始化instance,然后通过getInstance返回,这种就被称为饿汉式单例类。也有些写法是在getInstance中new instance然后返回,这种就被称为懒汉式单例类,但这涉及到第一次getInstance的一个判断问题。
下面的代码只是表示一下,跟具体哪种语言没有关系。
单线程中:
Singleton* getInstance()
{
if (instance == NULL)
instance = new Singleton(); return instance;
}
这样就可以了,保证只取得了一个实例。但是在多线程的环境下却不行了,因为很可能两个线程同时运行到if (instance == NULL)这一句,导致可能会产生两个实例。于是就要在代码中加锁。
Singleton* getInstance()
{
lock();
if (instance == NULL)
{
instance = new Singleton();
}
unlock(); return instance;
}
但这样写的话,会稍稍映像性能,因为每次判断是否为空都需要被锁定,如果有很多线程的话,就爱会造成大量线程的阻塞。于是出现了双重锁定。
Singleton* getInstance()
{
if (instance == NULL)
{
lock();
if (instance == NULL)
{
instance = new Singleton();
}
unlock();
} return instance;
}
这样只够极低的几率下,通过越过了if (instance == NULL)的线程才会有进入锁定临界区的可能性,这种几率还是比较低的,不会阻塞太多的线程,但为了防止一个线程进入临界区创建实例,另外的线程也进去临界区创建实例,又加上了一道防御if (instance == NULL),这样就确保不会重复创建了。
常用的场景
单例模式常常与工厂模式结合使用,因为工厂只需要创建产品实例就可以了,在多线程的环境下也不会造成任何的冲突,因此只需要一个工厂实例就可以了。
优点
1.减少了时间和空间的开销(new实例的开销)。
2.提高了封装性,使得外部不易改动实例。
缺点
1.懒汉式是以时间换空间的方式。(上面使用的方式)
2.饿汉式是以空间换时间的方式。(下面使用的方式)
#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_ class Singleton{
public:
static Singleton* getInstance(); private:
Singleton();
//把复制构造函数和=操作符也设为私有,防止被复制
Singleton(const Singleton&);
Singleton& operator=(const Singleton&); static Singleton* instance;
}; #endif #include "Singleton.h" Singleton::Singleton(){ } Singleton::Singleton(const Singleton&){ } Singleton& Singleton::operator=(const Singleton&){ } //在此处初始化
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
Singleton* Singleton::getInstance(){
return instance;
} #include "Singleton.h"
#include <stdio.h> int main(){
Singleton* singleton1 = Singleton::getInstance();
Singleton* singleton2 = Singleton::getInstance(); if (singleton1 == singleton2)
fprintf(stderr,"singleton1 = singleton2\n"); return ;
}
以上使用的方式存在问题:只能实例化没有参数的类型,其它带参数的类型就不行了。
c++11 为我们提供了解决方案:可变模板参数
template <typename T>
class Singleton
{
public:
template<typename... Args>
static T* Instance(Args&&... args)
{
if(m_pInstance==nullptr)
m_pInstance = new T(std::forward<Args>(args)...);
return m_pInstance;
}
static T* GetInstance()
{
if (m_pInstance == nullptr)
throw std::logic_error("the instance is not init, please initialize the instance first");
return m_pInstance;
}
static void DestroyInstance()
{
delete m_pInstance;
m_pInstance = nullptr;
} private:
Singleton(void);
virtual ~Singleton(void);
Singleton(const Singleton&);
Singleton& operator = (const Singleton&);
private:
static T* m_pInstance;
}; template <class T> T* Singleton<T>::m_pInstance = nullptr;
由于原来的接口中,单例对象的初始化和取值都是一个接口,可能会遭到误用,更新之后,讲初始化和取值分为两个接口,单例的用法为:先初始化,后面取值,如果中途销毁单例的话,需要重新取值。如果没有初始化就取值则会抛出一个异常。
Multiton的实现
#include <map>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std; template < typename T, typename K = string>
class Multiton
{
public:
template<typename... Args>
static std::shared_ptr<T> Instance(const K& key, Args&&... args)
{
return GetInstance(key, std::forward<Args>(args)...);
} template<typename... Args>
static std::shared_ptr<T> Instance(K&& key, Args&&... args)
{
return GetInstance(key, std::forward<Args>(args)...);
}
private:
template<typename Key, typename... Args>
static std::shared_ptr<T> GetInstance(Key&& key, Args&&...args)
{
std::shared_ptr<T> instance = nullptr;
auto it = m_map.find(key);
if (it == m_map.end())
{
instance = std::make_shared<T>(std::forward<Args>(args)...);
m_map.emplace(key, instance);
}
else
{
instance = it->second;
} return instance;
} private:
Multiton(void);
virtual ~Multiton(void);
Multiton(const Multiton&);
Multiton& operator = (const Multiton&);
private:
static map<K, std::shared_ptr<T>> m_map;
}; template <typename T, typename K>
map<K, std::shared_ptr<T>> Multiton<T, K>::m_map;
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