singleton模式属于创建型设计模式。其作用是在程序设计中,对于某一个类而言,全局只能存在一个实例对象。

下面以C++为例,对单例模式进行说明:

1. 最基本单例模式(单线程)

 class Singleton1{
private:
static Singleton1 instance;
Singleton1(){} //构造函数
public:
static Singleton1 get_instance(){
if (Singleton1.instance==nullptr){ //若当前唯一实例为空,则创建新对象返回
instance=Singleton1();
}
return instance;
}
};

存在问题:在单线程下,只有instance == null 时,才会创建新对象,其余时间返回。但是对于多线程访问时,当两个或多个线程同时访问到instance==null,若判断成立,多个线程会分别实例化对象,这时程序就不满足单例条件了。

2.多线程的单例模式

针对上述问题,要在多线程中保证单例,就要进行线程同步控制,C++中使用mutex类族进行同步控制。

class Singleton2{
private:
static Singleton2 instance;
static std::mutex mutex_var;
Singleton2(){}
public:
static Singleton2 get_instance(){
mutex_var.lock(); //互斥量加锁进行线程同步
if (instance==nullptr){
instance=Singleton2();
}
mutex_var.unlock(); //互斥量解锁
return instance;
}
};

存在问题:线程安全,但程序效率不高。注意,此前讨论的出现的不满足单例的情况只出现在首次实例化对象时,但现在的程序在每次通过ger_instance函数访问时,都会进行加解锁操作,,加锁操作是十分耗时的,从而导致程序效率变低。

3.多线程下高效的单例模式

解决方法:仅在第一次实例化的时候加锁,其他时刻不加锁,提高程序效率。

class Singleton3{
private:
static Singleton3 instance;
static std::mutex mutex_var;
Singleton3(){}
public:
static Singleton3 get_instance(){
if (instance==nullptr) //外层多一次判断,如果单例已经存在,就不再进行加锁操作
{
mutex_var.lock(); //互斥量加锁进行线程同步
if (instance==nullptr){
instance=Singleton3();
}
mutex_var.unlock(); //互斥量解锁
}
return instance;
}
};

关于懒汉式和饿汉式的讨论

饿汉式:单例实例在类装载时就构建,急切初始化。(预先加载法)

懒汉式:单例实例在第一次被使用时构建,延迟初始化。(上述实现都是懒汉式的)。

这两类单例模式的区别在于实例化的时机不同。

饿汉式

优点:线程安全,在类加载的同时创建一个静态对象,调用时反应快。缺点:由于是提前定义,可能在全局程序中都没有使用这个实例,资源利用率不高。

懒汉式

优点:资源效率高,只要不用到该实例就不会被实例化。缺点:第一次加载速度不快。

两种方式各有优劣,针对不同的场景进行选择,一般情况下,使用饿汉式更多一些。

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