单例模式-如何保证全局唯一性?

以下是几种实现单例模式并保证全局唯一性的方法:

1. 饿汉式单例模式

class Singleton {
private:// 私有构造函数,防止外部创建对象Singleton() {}// 静态成员变量,存储单例对象static Singleton instance;
public:// 公有静态成员函数,用于获取单例对象static Singleton& getInstance() {return instance;}
};// 静态成员变量的初始化,在程序启动时创建单例对象
Singleton Singleton::instance;

解释

  • 构造函数私有化:将 Singleton 类的构造函数声明为 private,确保外部无法直接创建该类的对象。
  • 静态成员变量:使用 static Singleton instance 存储单例对象。
  • 静态成员函数:通过 static Singleton& getInstance() 提供获取单例对象的接口。
  • 全局初始化:在程序启动时,Singleton::instance 就会被创建,因为它是静态成员,且在类外进行了定义和初始化。这保证了在程序运行的任何时刻,getInstance() 都能返回同一个对象。

2. 懒汉式单例模式(线程不安全)

class Singleton {
private:// 私有构造函数,防止外部创建对象Singleton() {}// 静态成员变量,存储单例对象static Singleton* instance;
public:// 公有静态成员函数,用于获取单例对象static Singleton* getInstance() {if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}return instance;}
};// 静态成员变量的初始化,初始化为 nullptr
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

解释

  • 构造函数私有化:与饿汉式相同,将构造函数设为 private
  • 静态指针成员变量:使用 static Singleton* instance 存储单例对象的指针,初始化为 nullptr
  • 静态成员函数getInstance() 函数在首次调用时检查 instance 是否为 nullptr,若为 nullptr 则创建对象,后续调用都将返回同一个对象。
  • 线程不安全:这种方式在多线程环境下存在问题,多个线程可能同时检查到 instance 为 nullptr,并同时创建对象,导致多个实例的出现。

3. 懒汉式单例模式(线程安全,使用互斥锁)

#include <mutex>class Singleton {
private:// 私有构造函数,防止外部创建对象Singleton() {}// 静态成员变量,存储单例对象static Singleton* instance;// 互斥锁,用于线程同步static std::mutex mtx;
public:// 公有静态成员函数,用于获取单例对象static Singleton* getInstance() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}return instance;}
};// 静态成员变量的初始化,初始化为 nullptr
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
// 静态成员变量的初始化,创建互斥锁
std::mutex Singleton::mtx;

解释

  • 构造函数私有化:确保外部无法直接创建对象。
  • 静态指针成员变量:存储单例对象的指针,初始化为 nullptr
  • 互斥锁:使用 std::mutex mtx 进行线程同步。
  • 静态成员函数:在 getInstance() 中,使用 std::unique_lock 获取互斥锁,确保同一时刻只有一个线程可以创建单例对象。
  • 性能问题:这种方式每次调用 getInstance() 都需要加锁,即使 instance 已经创建,会影响性能。

4. 懒汉式单例模式(线程安全,双重检查锁定)

#include <mutex>class Singleton {
private:// 私有构造函数,防止外部创建对象Singleton() {}// 静态成员变量,存储单例对象static Singleton* instance;// 互斥锁,用于线程同步static std::mutex mtx;
public:// 公有静态成员函数,用于获取单例对象static Singleton* getInstance() {if (instance == nullptr) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {instance = new Singleton();}}return instance;}
};// 静态成员变量的初始化,初始化为 nullptr
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
// 静态成员变量的初始化,创建互斥锁
std::mutex Singleton::mtx;

 解释

  • 构造函数私有化:防止外部创建对象。
  • 静态指针成员变量:存储单例对象指针,初始化为 nullptr
  • 互斥锁:用于线程同步。
  • 静态成员函数:使用双重检查锁定,第一次检查 instance 是否为 nullptr 是无锁的,若为 nullptr 则加锁再次检查并创建对象,避免了每次调用 getInstance() 都加锁的性能问题。
  • 潜在问题:在某些编译器和处理器架构下,由于指令重排,可能导致 instance 已经分配内存但未完成构造函数调用,导致其他线程访问到未完全初始化的对象。

5. 懒汉式单例模式(线程安全,C++11 及以上) 

#include <memory>
#include <mutex>class Singleton {
private:// 私有构造函数,防止外部创建对象Singleton() {}
public:// 公有静态成员函数,用于获取单例对象static Singleton& getInstance() {static std::once_flag flag;std::call_once(flag, []() {instance.reset(new Singleton());});return *instance.get();}
private:// 静态成员变量,存储单例对象static std::unique_ptr<Singleton> instance;
};// 静态成员变量的初始化,使用智能指针存储单例对象
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance;

 解释

  • 构造函数私有化:防止外部创建对象。
  • 静态成员函数:使用 std::once_flag 和 std::call_once 保证单例对象只被创建一次。
  • 智能指针:使用 std::unique_ptr<Singleton> instance 存储单例对象,避免了内存管理问题。
  • C++11 特性std::call_once 是 C++11 引入的,确保 instance 只会被调用一次,且是线程安全的,解决了双重检查锁定的指令重排问题。

6、总结

通过以上几种方式,可以实现单例模式并保证全局唯一性。在实际应用中,推荐使用 C++11 及以上的 std::call_once 和 std::unique_ptr 实现,它提供了简洁、安全和高效的单例模式实现方式。


上述几种实现方式都旨在保证单例模式的全局唯一性,但各有优缺点,你可以根据实际需求和开发环境选择合适的实现方式。**代码解释**:
- **饿汉式单例模式**:- 优点:实现简单,在程序启动时就创建单例对象,保证了线程安全和全局唯一性。- 缺点:可能会造成资源浪费,因为单例对象在程序开始时就创建,无论是否使用。- **懒汉式单例模式(线程不安全)**:- 优点:单例对象在首次使用时创建,避免了资源浪费。- 缺点:在多线程环境下无法保证单例对象的唯一性,会出现多个实例。- **懒汉式单例模式(线程安全,使用互斥锁)**:- 优点:使用互斥锁保证了多线程环境下的单例对象唯一性。- 缺点:性能开销大,每次调用 `getInstance()` 都要加锁,即使单例对象已经创建。- **懒汉式单例模式(双重检查锁定)**:- 优点:在多线程环境下相对高效,避免了每次调用都加锁。- 缺点:存在指令重排的潜在风险,可能导致获取到未完全初始化的对象。- **懒汉式单例模式(线程安全,C++11及以上)**:- 优点:结合了 `std::call_once` 和 `std::unique_ptr`,既保证了线程安全,又避免了指令重排问题,是现代 C++ 推荐的实现方式。- 缺点:需要 C++11 及以上标准支持。

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