C++单例设计模式详细讲解-C/C++开发

单例模式（SingletonPattern）是最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式，这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建

特殊类设计

只能在堆上创建对象的类

请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式：

将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝在栈上生成对象。
提供一个静态的成员函数，在该静态成员函数中完成堆对象的创建

class test 
{
public:
	static test* GetObj() 
	{
		return new test();  //堆上申请并创建一个对象
	}
private:
	//构造函数私有
	test() { cout << "调用了构造函数" << endl; }
	//拷贝构造私有化，无法实例化对象
	test(const test& obj){};
};
void func1() 
{
	test* p = test::GetObj();  //通过调用静态函数获取对象的指针
}

请设计一个类只能在栈上创建对象

方法一：同上将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可。

//只能在栈上创建对象
class test1 
{
public:
	static test1 GetObj()
	{
		return test1(); //栈上创建一个对象并返回
	}
	test1() { cout << "调用了构造函数" << endl; }
private:
	//拷贝构造私有化无法实例化对象
	test1(const test1& obj) {  }
};

方法二：屏蔽new，因为new在底层调用void* operator new(size_t size)函数（会在堆上开辟空间），我们只需要在类里面自定义定位new和delete就会不再new的时候调用全局的operator new和operator delete 最后该函数私有化，也就防止了在堆上创建对象，注意：也要防止定位new

class test02 
{
public:
	test02() 
	{ }
private:
	//自定义的定位new、定位delete
	void *operator new(size_t size) 
	{ 
		//代码....  
	}
	void operator delete(void *p)  
	{  
		//代码....
	}
};

请设计一个类不能被拷贝

拷贝只会放生在两个场景中：拷贝构造函数以及赋值运算符重载，因此想要让一个类禁止拷贝，只需让该类不能调用拷贝构造函数以及赋值运算符重载即可。

C++98将拷贝构造函数与赋值运算符重载只声明不定义，并且将其访问权限设置为私有即可

原因：

设置成私有：如果只声明没有设置成private，用户自己如果在类外定义了，就可以不能禁止拷贝了
只声明不定义：不定义是因为该函数根本不会调用，定义了其实也没有什么意义，不写反而还简单，而且如果定义了就不会防止成员函数内部拷贝了。
C++11的写法也可以在默认成员函数后面加上delete，表示让编译器删除掉该默认成员函数

class CopyBan
{
 // ...
private:
 CopyBan(const CopyBan&);
 CopyBan& operator=(const CopyBan&);
 //...
};

请设计一个类不能被继承

C++98会对父类的构造函数私有化，但是这个方法并不够彻底，实际上是子类还是继承了父类的，只是没办法实例化对象，那么也就没有意义了

class test
{
private:
	test(){}
}

C++11方法

final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承

class A final
{
 // ....
};

请设计一个类只能创建一个对象(单例模式)

设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。为什么会产生设计模式这样的东西呢？就像人类历史发展会产生兵法。最开始部落之间打仗时都是人拼人的对砍。后来春秋战国时期，七国之间经常打仗，就发现打仗也是有套路的，后来孙子就总结出了《孙子兵法》。孙子兵法也是类似。

使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。

单例模式：

一个类只能创建一个对象，即单例模式，该模式可以保证系统中该类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

单例模式有两种实现模式：

饿汉模式、就是说不管你将来用不用，程序启动时就创建一个唯一的实例对象，如果这个单例对象在多线程高并发环境下频繁使用，性能要求较高，那么显然使用饿汉模式来避免资源竞争，提高响应速度更好。

实现方法：在类里面定义一个静态的成员指针obj，通过提供一个静态的成员函数获取该指针obj

class Singleton 
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return obj;
	}
private:
	Singleton() {}
	Singleton(const Singleton& obj) {}
	static Singleton* obj;
};
Singleton* Singleton::obj = new Singlet	on;

懒汉模式、如果在套用单例设计模式，单例对象构造十分耗时或者占用很多资源，比如加载插件啊，初始化网络连接啊，读取文件啊等等，而有可能该对象程序运行时不会用到，那么也要在程序一开始就进行初始化，就会导致程序启动时非常的缓慢。所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好。

懒汉模式：我们需要考虑到多线程的安全隐患，和处理的返回值指针指向的永远都是同一个对象的指针，这样子才不会失去单例对象的性质，主要改变的是static Singleton* GetInstance()；接口函数的设计

static Singleton* GetInstance()
{
	//如果只有一层的if判断的我们的程序就会存在一定的问题，
	//在多线程的场景下，多个线程都是比较自由的，可读可写、或者只读、只写
	//这样在一些场景下就会导致单例对象失去他本身的性质，
	//比如：两个线程 th1、th2，同时进入到了if语句中，假设th1会先执行。
	//为obj 申请了一个对象并返回它的指针，难么这个实例对象也就创建了
	//最后return obj，th1结束后(不确定结束时间)，
	//th2又会再次new一个对象给obj,最后导致obj被赋值两次
	//整个过程梳理：
	//1、th1线程存在内存泄漏，因为obj被赋值两次，而第一次new出来的对象并没有被释放，那么就存在了内存泄漏
	//2、obj被赋值两次，失去单例对象性质
	if (!obj) 
	{
		if (!obj) 
		{
			obj = new Singleton();
		}
	}
	return obj;  //返回对象的指针
}

改善一：引入C++11线程库，加入互斥锁管理线程

static Singleton* GetInstance()
{
		//通过加锁，保证了线程安全
		m_mtx.lock();  //加锁
		//假设th1先拿到锁，那么th1就会先执行下面的语句，而th2就会等待，
		//obj就会指向new出来的单例对象，最后th1解锁完了return ,而th2
		//才刚拿到锁继续if判断的时候obj已经有值了就会跳过if继续往下执
		//行，然后解锁最终return ,整个过程中单例对象只有一份，
		//不存在二次赋值
		if (!obj) 
		{
			obj = new Singleton();
		}
		m_mtx.unlock();  //解锁
	return obj;  //返回对象的指针
}

进一步优化

因为第一次加锁解锁之后，处理了线程安全的问题，而往后的obj指针已经被初始化了，也就不需要再new一次，所以可以再最外层套上一层if判断，防止继续枷锁解锁，因为频繁的加锁解锁会导致线程不断的切入切出有上下文切换的开销

static Singleton* GetInstance()
{
	if(!obj)  
		//第一次判断保护线程安全，第二次obj已经有值，不需要执行{....}
		//优点：保证线程安全的同时完成了单例对象的初始化
	{
		m_mtx.lock();  //加锁
		if (!obj)   //保证单例对象只有一份，不会存在二次赋值
		{
			obj = new Singleton();
		}
		m_mtx.unlock();  //解锁
	}
	return obj;  //返回对象的指针
}

完善实现

//懒汉
class Singleton 
{
public:
	class CGarbo {
	public:
		~CGarbo() {
			if (obj)   //释放对象指针，并置空
			{
				delete obj;
				obj = nullptr;
			}
		}
	};
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//双重检查的好处是保护了线程安全，同时又提高了效率
		if (!obj) 
		{
			m_mtx.lock();  //加锁
			if (!obj) 
			{
				obj = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();  //解锁
		}
		return obj;  //返回对象的指针
	}
private:
	Singleton()  {}
	Singleton(const Singleton& obj) {}
	void operator=(const Singleton& obj) {}
	static Singleton* obj; //声明对象指针
	static mutex m_mtx; //声明互斥锁
	static CGarbo Garbo;  //声明垃圾回收器对象
};
Singleton* Singleton::obj = nullptr;  //对象指针初始化
mutex Singleton::m_mtx;  //定义互斥锁
Singleton::CGarbo Garbo;  //定义垃圾回收器对象