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“天上天下，唯我独尊”——单例模式

2022-07-24 16:17:00 【用户6557940】

引言

你能在电脑上调出两个Windows任务管理器吗？假设能，如果两个管理器显示的数据相同，那何必要存在两个呢？如果两个管理器显示的数据不同，那我该相信哪一个呢？

试试看，应该有且仅有一个吧？一个系统里有且仅有一个Windows任务管理器实例供外界访问。如何保证系统里有且仅有一个实例对象呢？并且能够供外界访问？你可以在系统里定义一个统一的全局变量，但这并不能防止创建多个对象（想一想，为什么？）这就是单例模式的典型应用。

对于一个软件系统中的某些类来说，只有一个实例很重要。假设Windows系统上可以同时调出两个Windows任务管理器，这两个任务管理器显示的都是同样的信息，那势必造成内存资源的浪费；如果这两个任务管理器显示的是不同的信息，这也给用户带来了困惑，到底哪一个才是真实的状态？

单例模式简介

单例模式定义：

单例模式：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个唯一实例。

单例模式有3个要点：

这个类只能有一个实例；
它必须自己创建这个实例；
它必须自己向整个系统提供这个实例。

单例模式结构

单例模式结构非常简单，其UML图如下所示，只包含一个类，即单例类。为防止创建多个对象，其构造函数必须是私有的（外界不能访问）。另一方面，为了提供一个全局访问点来访问该唯一实例，单例类提供了一个公有方法getInstance来返回该实例。

单例模式代码及效果

3.1.单例模式代码及验证

#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__
 
#include <iostream>
#include <string.h>
using namespace std;
 
//抽象产品类AbstractBall
class Singleton
{
public:
  static Singleton* getInstance(){
    if (instance == NULL){
      printf("创建新的实例\n");
      instance = new Singleton();
    }
    return instance;
  }
private:
  Singleton(){}
 
  static Singleton* instance;
};
 
Singleton* Singleton::instance = NULL;
 
#endif //__SINGLETON_H__

可以看到，构造函数是私有的（private），即单例模式对象只能在类内部实例化（这就满足了单例模式的第二个要点）。同时，实例对象instance是静态static的，也就是全局的，假设客户端实例化了两个Singleton，但instance只有一个（这就满足了第一个要点）。那第三个要点如何满足呢？即外界如何获取单例对象呢？上述代码中定义了一个方法（同样也是static的）getInstance().

接下来看看客户端如何使用：

int main()
{
  Singleton *s1 = Singleton::getInstance();
  Singleton *s2 = Singleton::getInstance();
 
  system("pause");
  return 0;
}

运行结果如下图：

难道单例模式就这么简单的就ok了吗？

no no no! too young too simple!

3.2.多线程环境测试单例模式

上述的客户端验证似乎说明上述代码实现了单例模式。的确是实现了，但是这样真的安全吗？试想在多线程环境里，当两个线程(甚至更多线程）同时使用，同样存在创建了多个实例的隐患。下面的代码是在多线程环境下进行的测试：

/*非线程安全 单例模式*/
#include <process.h>
#include <Windows.h>
#define THREAD_NUM 5
 
unsigned int __stdcall CallSingleton(void *pPM)
{
  Singleton *s = Singleton::getInstance();
  int nThreadNum = *(int *)pPM; 
  Sleep(50);
  printf("线程编号为%d\n", nThreadNum);
  return 0;
}
 
int main()
{
  HANDLE  handle[THREAD_NUM];
 
  //线程编号
  int threadNum = 0;
  while (threadNum < THREAD_NUM)
  {
    handle[threadNum] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, CallSingleton, &threadNum, 0, NULL);
    //等子线程接收到参数时主线程可能改变了这个i的值
    threadNum++;
  }
  //保证子线程已全部运行结束
  WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
 
  system("pause");
  return 0;
}

一共创建了5个线程，每个线程里面都试图创建一个单例对象。理论上，最终只有第一个线程（第一个被系统调度的线程）才能打印出“创建新的实例”，然而：

上述结果说明，3.1的单例模式的代码并不是线程安全的。

3.3.线程安全的单例模式代码实现

如何做到线程安全呢？多线程同步与互斥有多重方法，这里Jungle介绍互斥锁这种用法。代码如下：

#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__
 
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <mutex>
using namespace std;
 
class Singleton
{
public:
  static Singleton* getInstance(){
    if (instance == NULL){
      m_mutex.lock();
      if (instance == NULL){
        printf("创建新的实例\n");
        instance = new Singleton();
      }
      m_mutex.unlock();
    }
    return instance;
  }
private:
  Singleton(){}
 
  static Singleton* instance;
  static std::mutex m_mutex;
};
 
Singleton* Singleton::instance = NULL;
std::mutex Singleton::m_mutex;
 
#endif //__SINGLETON_H__

接下来再在多线程环境下测试，结果显示功能正常！

单例模式总结

优点：