本篇涉及语言java kotlin c++
概念最简单的一个设计模式，但是实现起来还是有很多需要注意的地方。而且也是被常被不合时宜使用的设计模式，下面会先看一下使用场景，再去展开说明实现方式
一、单例和静态类
意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。
如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
关键代码：构造函数是私有的。
静态类也有相似的功能，下面比较一下两者区别。
| 名称 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 单例 | 可以继承，实现接口，覆写，懒加载 | 内存难被清理回收 | 必须有且只有一个对象的场景（例如：log系统，线程池） |
| 静态类 | 产生对象会随静态方法执行完而被释放 | 没有面向对象特性 | 工具类 |
二、单例的实现方式
java
1.饿汉模式（线程安全）
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
2.懒汉模式
(1)非线程安全实现
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
(2)线程安全实现
双检锁/双重校验锁
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
（3）登记式/静态内部类（线程安全）
public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
（4）枚举（线程安全）
public enum Singleton6 {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {}
}
（5）使用ThreadLocal（线程安全）
public class Singleton {
private static final ThreadLocal<Singleton> tlSingleton = new ThreadLocal<Singleton>() {
@Override
protected Singleton initialValue() {
return new Singleton();
}
};
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return tlSingleton.get();
}
}
（6）使用CAS锁（线程安全）
public class Singleton {
private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton>();
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
for (; ; ) {
Singleton current = INSTANCE.get();
if (current != null) {
return current;
}
current = new Singleton();
if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) {
return current;
}
}
}
}
| 名称 | 是否懒加载 | 是否线程安全 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 懒汉式线程不安全 | 是 | 否 | 实现简单 | 非线程安全 | 不建议使用 |
| 懒汉式线程安全 | 是 | 是 | 实现简单；第一次调用才初始化，避免内存浪费 | 加锁会影响效率 | 不建议使用 |
| 饿汉式 | 否 | 是 | 实现简单；没有加锁，执行效率高 | 类加载时就初始化，浪费内存 | 默认情况下推荐使用（没有懒加载需求，也不考虑反序列化） |
| 登记式/静态内部类 | 是 | 是 | 兼顾运行效率和懒加载需求 | / | 有懒加载需求情况下，默认使用方案 |
| 枚举 | 是 | 是 | 实现简单（面试的时候写代码可以快人一步，哈哈）； 自动支持序列化机制 | 不能用反射调用私有构造函数 | Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，感觉面试用的更多一些 |
| 使用ThreadLocal | 是 | 是 | 多了解一个知识点，ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。 | 实现复杂 | 面试 |
| 使用CAS锁 | 是 | 是 | 多了解一个知识点 | 实现复杂 | 面试 |
kotlin
（1）object关键字的饿汉模式
object Singleton{}
用as转成字节码再反编译后的java代码，可以看出是饿汉模式
public final class Singleton{
public static final Singleton INSTANCE;
private Singleton(){}
static {
Singletonvar0 = new Singleton();
INSTANCE = var0;
}
}
除了object实现饿汉模式之外，其他和java形式雷同。
C++
c++除了私有构造函数，还要注意赋值拷贝接口，内存安全的问题
- 全局只有一个实例：static 特性，同时禁止用户自己声明并定义实例（把构造函数设为 private）
- 线程安全
- 禁止赋值和拷贝（操作符重载）
- 用户通过接口获取实例：使用 static 类成员函数（）
（1）线程安全，内存安全的懒汉模式（智能指针，锁）
#include <iostream>
#include <memory> // shared_ptr
#include <mutex> // mutex
// version 2:
// with problems below fixed:
// 1. thread is safe now
// 2. memory doesn't leak
class Singleton{
public:
typedef std::shared_ptr<Singleton> Ptr;
~Singleton(){
std::cout<<"destructor called!"<<std::endl;
}
Singleton(Singleton&)=delete;
Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
static Ptr get_instance(){
// "double checked lock"
if(m_instance_ptr==nullptr){
//只有判断指针为空的时候才加
//避免每次调用 get_instance的方法都加锁
//锁的开销毕竟还是有点大的
std::lock_guard<std::mutex> lk(m_mutex);
if(m_instance_ptr == nullptr){
m_instance_ptr = std::shared_ptr<Singleton>(new Singleton);
//m_instance_ptr析构时，new出的对象也会被delete掉
}
}
return m_instance_ptr;
}
private:
Singleton(){
std::cout<<"constructor called!"<<std::endl;
}
static Ptr m_instance_ptr;
static std::mutex m_mutex;
//Singleton(const A&); //拷贝构造函数，C++11之前delete的替代方案
//Singleton& operator=(const A&);//拷贝复制运算符，C++11之前delete的替代方案
};
// initialization static variables out of class
Singleton::Ptr Singleton::m_instance_ptr = nullptr;
std::mutex Singleton::m_mutex;
int main(){
Singleton::Ptr instance = Singleton::get_instance();
Singleton::Ptr instance2 = Singleton::get_instance();
return 0;
}
（2）局部静态变量 懒汉式模式（推荐方式）
#include <iostream>
class Singleton
{
public:
~Singleton(){
std::cout<<"destructor called!"<<std::endl;
}
Singleton(const Singleton&)=delete;
Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
static Singleton& get_instance(){
static Singleton instance;
return instance;
}
private:
Singleton(){
std::cout<<"constructor called!"<<std::endl;
}
};
int main(int argc, char *argv[])
{
Singleton& instance_1 = Singleton::get_instance();
Singleton& instance_2 = Singleton::get_instance();
return 0;
}
这种方法又叫做 Meyers' SingletonMeyer's的单例， 是著名的写出《Effective C++》系列书籍的作者 Meyers 提出的。所用到的特性是在C++11标准中的Magic Static特性：
- 通过局部静态变量的特性保证了线程安全 (C++11, GCC > 4.3, VS2015支持该特性);
- 不需要使用共享指针，代码简洁；
- 注意在使用的时候需要声明单例的引用 Single& 才能获取对象。
（3）c++ call_once
在C++11中提供一种方法，使得函数可以线程安全的只调用一次。即使用std::call_once和std::once_flag。std::call_once是一种lazy load的很简单易用的机制。实现代码如下：
#include <iostream>
#include <memory> // shared_ptr
#include <mutex> // mutex
class Singleton
{
public:
~Singleton(){
std::cout<<"destructor called!"<<std::endl;
}
Singleton(const Singleton&)=delete;
Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;
static Singleton& get_instance(){
static std::once_flag s_flag;
std::call_once(s_flag,[&](){
instance_.reset(new Singleton);
});
return *instance_;
}
private:
Singleton(){
std::cout<<"constructor called!"<<std::endl;
}
};
int main(int argc, char *argv[])
{
Singleton& instance_1 = Singleton::get_instance();
Singleton& instance_2 = Singleton::get_instance();
return 0;
}
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