单例模式

单例模式

前言

因为最近在看OpenHarmony源码的时候会遇到很多设计模式相关的知识，所以写一个系列文章来分享一些关于设计模式的知识。

其中最常用到的就是单例模式。

本文提供了Java和c++两种实现方法，实力有限，如有错误，敬请谅解。

一、应用场景

1.什么是单例模式？

保证整个系统中一个类只有一个对象的实例，实现这种功能的方式就叫单例模式。

2.优点：

  1. 单例模式在内存中只有一个实例，减少内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建销毁或者是这个对象创建需要的资源比较多，而且创建或销毁时性能又无法优化,这时候使用单例模式性能提升就非常明显了。
  2. 单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件操作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。单例模式还可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问。

3.缺点：

不适用于变化的对象，而且单例模式没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

二、实现

大体上有两种实现方式：饿汉跟懒汉两种模式
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1.饿汉模式

简介：这种实现方式比较常见，但是容易产生垃圾对象。
是否懒加载：否
是否多线程安全：是
难度：简单
优点：没有加锁，执行效率会变高
缺点：类加载时就初始化，消耗内存多
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

Java 实现方法：

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
}

c++实现方法：
default跟delete（别人的写的还可以）

// 饿汉实现 /

//.h头文件
class Singleton
{
public:
    // 获取单实例
    static Singleton* GetInstance();
    static void deleteInstance();
private:
    Singleton()= default;
    ~Singleton()= default;

    // 将其拷贝构造和赋值构造成为私有函数, 禁止外部拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton &signal) = delete;
    const Singleton &operator=(const Singleton &signal) = delete;

private:
    // 唯一单实例对象指针
    static Singleton *g_pSingleton;
};

//.cpp源文件

// 代码一运行就初始化创建实例 ，线程安全
Singleton* Singleton::g_pSingleton = new (std::nothrow) Singleton();

Singleton* Singleton::GetInstance()
{
    return g_pSingleton;
}

void Singleton::deleteInstance()
{
    if (g_pSingleton)
    {
        delete g_pSingleton;
        g_pSingleton = nullptr;
    }
}

2.懒汉模式

懒汉线程不安全

简介：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
是否懒加载：是
是否多线程安全：否
难度：简单
优点：效率会比较高
缺点：多线程会出错

Java 实现：

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

懒汉线程安全

简介：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
是否懒加载：是
是否多线程安全：是
难度：简单
优点：只有第一次调用的时候才初始化，避免了内存浪费
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
Java 实现：

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

c++ 实现：

class LazySingleton {
public:
    static LazySingleton *getInstance() {
        static LazySingleton instance;
        return &instance;
    }

private:
    LazySingleton(){
    };
    ~LazySingleton() {
    }
};

3.双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

简介：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。双检测锁定的方式 是只有当对象未创建的时候才对请求加锁，对象创建以后都不会上锁，这样有效的提升了程序的效率，也可以保证只会创建一个对象的实例。
是否懒加载：是
是否多线程安全：是
难度：较为复杂
优点：相当于是优化版的懒汉。
场景：一般应用于getInstance() 的性能对应用程序很关键的地方。
注意：Java实现注意一下volatile 关键字

Java 实现：

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
            if (singleton == null) {  
                singleton = new Singleton();  
            }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

c++ 实现：

class Singleton {

public:

    static std::shared_ptr<Singleton> getSingleton();

    void print() {
        std::cout << "Hello World." << std::endl;
    }

    ~Singleton() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

private:

    Singleton() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

static std::shared_ptr<Singleton> singleton = nullptr;
static std::mutex singletonMutex;

std::shared_ptr<Singleton> Singleton::getSingleton() {
    if (singleton == nullptr) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(singletonMutex);
        if (singleton == nullptr) {
            auto temp = std::shared_ptr<Singleton>(new Singleton());
            singleton = temp;
        }
    }
    return singleton;
}

4.登记式/静态内部类

简介：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。
是否懒加载：是
是否多线程安全：是
难度：一般

Java 实现：

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

c++ 实现：

//.h头文件
class Single
{

public:
    static Single &GetInstance();
    void Print();//打印地址

private:
    Single();
    ~Single();
    Single(const Single &signal);
    const Single &operator=(const Single &signal);
};

//.cpp源文件
Single &Single::GetInstance()
{
    static Single signal;
    return signal;
}

void Single::Print()
{
    std::cout << "我的实例内存地址是:" << this << std::endl;
}

Single::Single()
{
    std::cout << "构造函数" << std::endl;
}

Single::~Single()
{
    std::cout << "析构函数" << std::endl;
}

5.枚举

简介：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
是否懒加载：否
是否多线程安全：是
难度：简单
场景：这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

总结

一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

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