知识的学习在于点滴记录，坚持不懈；知识的学习要有深度和广度，不能只流于表面，坐井观天；知识要善于总结，不仅能够理解，更知道如何表达！

设计模式概念

设计模式简单来说就是在解决某一类问题场景时，有既定的，优秀的代码框架可以直接使用，与我们自己摸索出来的问题解决之道相比较，有以下优点可取：

代码更易于维护，代码的可读性，复用性，可移植性，健壮性会更好
当软件原有需求有变更或者增加新的需求时，合理的设计模式的应用，能够做到软件设计要求的“开-闭原则”，即对修改关闭，对扩展开放，使软件原有功能修改，新功能扩充非常灵活
合理的设计模式的选择，会使软件设计更加模块化，积极的做到软件设计遵循的根本原则“高内聚，低耦合”

因此掌握常用的设计模式非常有必要，无论是找工作，还是对于我们自己的项目软件设计，都很有帮助。

单例模式简介

单例模式指的是，无论怎么获取，永远只能得到该类类型的唯一一个实例对象，那么设计一个单例就必须要满足下面三个条件：

构造函数私有化，这样用户就不能任意定义该类型的对象了
定义该类型唯一的对象
通过一个static静态成员方法返回唯一的对象实例

饿汉单例模式

下面代码演示一个饿汉式单例模式：

class CSingleton
{
public:
	static CSingleton* getInstance()
	{
		return &single;
	}
private:
	static CSingleton single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl; }
	CSingleton(const CSingleton&); // 防止外部使用拷贝构造产生新的对象，如下面CSingleton s = *p1;
};
CSingleton CSingleton::single;

int main()
{
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	cout<<p1<<" "<<p2<<" "<<p3<<endl;
	return 0;
}

打印的结果如下：
在这里插入图片描述
可以看到，三次获取的CSingleton对象都是同一个对象实例，这是一个饿汉式单例模式。

饿汉式单例模式，顾名思义，就是程序启动时就实例化了该对象，并没有推迟到第一次使用该对象时再进行实例化；如果运行过程中没有使用到，该实例对象就被浪费掉了。

懒汉单例模式

下面继续演示一个懒汉式单例模式：

class CSingleton
{
public:
	static CSingleton* getInstance()
	{
		if (nullptr == single)
		{
			single = new CSingleton();
		}
		return single;
	}
private:
	static CSingleton *single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl; }
	CSingleton(const CSingleton&);
};
CSingleton* CSingleton::single = nullptr;

int main()
{
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	cout << p1 << " " << p2 << " " << p3 << endl;
	return 0;
}

打印的结果如下：
在这里插入图片描述
符合单例模式的要求，三次获取的都是同一个对象，而且程序启动时，只对single指针初始化了空值，等第一次调用getInstance函数时，由于single指针为nullptr，才进行对象的实例化，所以是一个懒汉式单例模式。

所以，懒汉式单例模式，顾名思义，就是对象的实例化，延迟到第一次使用它的时候。

有人会说，上面new出来的对象，没见过delete，这样不好吧，当然了，有new没有delete，不配对啊！还有人说，管它呢，当前进程结束的时候，系统反正会回收分配给它的所有资源，包括未回收的内存，但是作为C++开发者，资源的分配和回收，我们必须要考虑清楚，不能糊涂，那么下面的修改感觉如何：

int main()
{
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	cout << p1 << " " << p2 << " " << p3 << endl;
	delete p1;    // 这里delete之前new过的对象，析构对象并且释放堆上的内存
	return 0;
}

这种方式怎么看，怎么不舒服，首先资源的释放如果交给用户来操作，难免会忘记写delete，又或者多次delete，成释放野指针了，所以上面释放单例对象资源的方式不够好，我们利用static静态对象在程序结束时自动析构这么一个特征，给出如下释放资源的代码，肯定比上面的方式要好，代码如下：

class CSingleton
{
public:
	static CSingleton* getInstance()
	{
		if (nullptr == single)
		{
			single = new CSingleton();
		}
		return single;
	}
private:
	static CSingleton *single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl; }
	CSingleton(const CSingleton&);

	// 定义一个嵌套类，在该类的析构函数中，自动释放外层类的资源
	class CRelease
	{
	public:
		~CRelease() { delete single; }
	};
	// 通过该静态对象在程序结束时自动析构的特点，来释放外层类的对象资源
	static CRelease release;
};
CSingleton* CSingleton::single = nullptr;
CSingleton::CRelease CSingleton::release;

int main()
{
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	cout << p1 << " " << p2 << " " << p3 << endl;
	return 0;
}

打印如下：
CSingleton()
006BEA70 006BEA70 006BEA70
~CSingleton()
对象实例已经正常析构，内存释放。

线程安全的单例模式

在开发服务器程序的时候，经常会用到多线程，多线程要考虑代码的线程安全特性，不能让代码在多线程环境下出现竞态条件，否则就要进行线程互斥操作，我们来考虑一下上面两种单例模式，如果用在多线程环境当中，是否是线程安全的单例模式。

1. 饿汉单例模式的线程安全特性
饿汉单例模式中，单例对象定义成了一个static静态对象，它是在程序启动时，main函数运行之前就初始化好的，因此不存在线程安全问题，可以放心的在多线程环境中使用。

2. 懒汉单例模式的线程安全特性
懒汉单例模式，获取单例对象的方法如下：

static CSingleton* getInstance()
{
	if (nullptr == single)
	{
		single = new CSingleton();
	}
	return single;
}

很明显，这个getInstance是个不可重入函数，也就它在多线程环境中执行，会出现竞态条件问题，首先搞清楚这句代码，single = new CSingleton()它会做三件事情，开辟内存，调用构造函数，给single指针赋值，那么在多线程环境下，就有可能出现如下问题：

1. 线程A先调用getInstance函数，由于single为nullptr，进入if语句
2. new操作先开辟内存，此时A线程的CPU时间片到了，切换到B线程
3. B线程由于single为nullptr，也进入if语句了，开始new操作

很明显，上面两个线程都进入了if语句，都试图new一个新的对象，不符合单例模式的设计，那该如何处理呢？对了，应该为getInstance函数内部加锁，在线程间进行互斥操作。此处介绍Linux系统下，pthread库中提供的线程互斥操作方法-mutex互斥锁，代码如下：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
using namespace std;

class CSingleton
{
public:
	static CSingleton* getInstance()
	{
		// 获取互斥锁
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		if (nullptr == single)
		{
			single = new CSingleton();
		}
		// 释放互斥锁
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		return single;
	}
private:
	static CSingleton *single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() 
	{ 
		pthread_mutex_destroy(&mutex); // 释放锁
		cout << "~CSingleton()" << endl; 
	}
	CSingleton(const CSingleton&);

	class CRelease
	{
	public:
		~CRelease() { delete single; }
	};
	static CRelease release;
	
	// 定义线程间的互斥锁
	static pthread_mutex_t mutex;
};
CSingleton* CSingleton::single = nullptr;
CSingleton::CRelease CSingleton::release;
// 互斥锁的初始化
pthread_mutex_t CSingleton::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

int main()
{
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	return 0;
}

上面的代码，是一个线程安全的懒汉单例模式，但是明眼人都能看出来，效率太低，因为每次调用getInstance都需要加锁解锁，除了第一次调用，后面对getInstance函数持续的加解锁实在时没有必要，所以这里需要使用锁+双重判断，也叫双重检验锁，把上面的getInstance函数代码修改如下：

static CSingleton* getInstance()
{
	if (nullptr == single)
	{
		// 获取互斥锁
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		/* 
		这里需要再添加一个if判断，否则当两个
		线程都进入这里，又会多次new对象，不符合
		单例模式的涉及
		*/
		if(nullptr == single)
		{
			single = new CSingleton();
		}
		// 释放互斥锁
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
	}
	
	return single;
}

既满足了效率，又满足线程安全，一举两得！既然是在学习C++，不如把互斥锁封装成一个类，使用起来更加OOP，代码如下所示：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
using namespace std;

// 对互斥锁操作的封装
class CMutex
{
public:
	CMutex(){pthread_mutex_init(&mutex, NULL);}  // 初始化锁
	~CMutex(){pthread_mutex_destroy(&mutex);}  // 销毁锁 
	void lock(){pthread_mutex_lock(&mutex);}  // 获取锁
	void unlock(){pthread_mutex_unlock(&mutex);}  // 释放锁
private:
	pthread_mutex_t mutex;
};

class CSingleton
{
public:
	static CSingleton* getInstance()
	{
		if (nullptr == single)
		{
			// 获取互斥锁
			mutex.lock();
			/* 
			这里需要再添加一个if判断，否则当两个
			线程都进入这里，又会多次new对象，不符合
			单例模式的涉及
			*/
			if(nullptr == single)
			{
				single = new CSingleton();
			}
			// 释放互斥锁
			mutex.unlock();
		}
		
		return single;
	}
private:
	static CSingleton *single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl;}
	CSingleton(const CSingleton&);

	class CRelease
	{
	public:
		~CRelease() { delete single; }
	};
	static CRelease release;
	
	//线程间的静态互斥锁
	static CMutex mutex;
};
CSingleton* CSingleton::single = nullptr;
CSingleton::CRelease CSingleton::release;
// 定义互斥锁静态对象
CMutex CSingleton::mutex;

int main()
{
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	return 0;
}

问题思考

请思考下面这个懒汉单例模式是否是线程安全的，代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;

class CSingleton
{
public:
	static CSingleton* getInstance()
	{
		static CSingleton single; // 懒汉式单例模式，定义唯一的对象实例
		return &single;
	}
private:
	static CSingleton *single;
	CSingleton() { cout << "CSingleton()" << endl; }
	~CSingleton() { cout << "~CSingleton()" << endl;}
	CSingleton(const CSingleton&);
};
int main()
{
	CSingleton *p1 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p2 = CSingleton::getInstance();
	CSingleton *p3 = CSingleton::getInstance();
	return 0;
}

上面的单例模式在多线程环境中使用时，会不会出现这种情况，线程A第一次调用getInstance函数的时候，single对象第一次初始化，此时线程B也调用getInstance函数，会不会也进行single对象的初始化呢，因为此时线程A并没有初始化完single？

在Linux环境中，通过g++编译上面的代码，命令如下：
g++ -o main main.cpp -g
生成可执行文件main，用gdb进行调试，到getInstance函数，并打印该函数的汇编指令，如下：在这里插入图片描述
可以看到，对于static静态局部变量的初始化，编译器会自动对它的初始化进行加锁和解锁控制，使静态局部变量的初始化成为线程安全的操作，不用担心多个线程都会初始化静态局部变量，因此上面的懒汉单例模式是线程安全的单例模式！

曾经看到过一篇面经分享，说一个互联网大厂的面试，一个单例模式问了40多分钟，从面向对象思想，到软件设计思想，到设计模式，再到Linux操作系统的进程和线程模型，线程间的互斥和通信，围绕单例模式逐步考察，所以知识的学习还是要串联，在此抛砖引玉。

如果需要录屏资料，请私信邮箱[email protected]获取。

C++设计模式 - 单例模式

目录