C++单例模式、工厂模式

一、单例模式

(一) 什么是单例模式
1. 是什么？

在系统的整个生命周期内，一个类只允许存在一个实例。

2. 为什么？

两个原因：

  • 节省资源。
  • 方便控制，在操作公共资源的场景时，避免了多个对象引起的复杂操作。
3. 线程安全

在单例模式的实现时，需要考虑线程安全问题。

什么是线程安全？

  • 多线程并行执行共享数据，线程安全的代码是可以通过同步机制来保证各个线程正常且正确地执行，不会产生数据的污染。

如何保证线程安全？

  • 加锁，保证资源每时每刻只被一个线程占用。
  • 让线程拥有资源，不用去共享。如：threadlocal可以为每一个线程维护一个私有的本地变量。
4. 单例模式分类
  • 懒汉式

系统运行中，实例并不存在，只有当需要使用时，才去创建。需要考虑线程安全。

  • 饿汉式（未雨绸缪）

系统一运行，就初始化创建实例，当需要时，直接调用。这样是线程安全的。

5. 单例类的特点
  • 构造函数和析构函数都是私有，防止外部构造和析构
  • 拷贝构造和赋值构造都是私有，防止外部拷贝和赋值
  • 一个静态的获取实例的方法，可以全局访问
(二) 单例模式实现
1. 加锁的懒汉式单例（线程安全）
#include <mutex>
#include <iostream>

// 加锁的懒汉单例模式
class SingleInstance
{
public:
    // 获取实例
    static SingleInstance *getInstance();
    // 进程退出时，销毁实例
    static void deleteInstance();
    // 打印实例地址
    void printAddr() { std::cout << "实例的内存地址:" << this << "\n"; }

private:
    // 私有的构造和析构
    SingleInstance();
    ~SingleInstance();

    // 私有的拷贝构造和赋值构造，外部无法调用
    SingleInstance(const SingleInstance &singleInstance);
    const SingleInstance &operator=(const SingleInstance &singleInstance);

    // 对象指针和互斥锁
    static SingleInstance *singleInstance_;
    static std::mutex mutex_;
};
#include "sigleInstance.h"

SingleInstance *singleInstance_ = nullptr;
std::mutex mutex_;

// 获取实例
SingleInstance *SingleInstance::getInstance()
{   
    // 此处使用双检锁（两个if），只在指针为空的时候加锁，避免开销
    if(singleInstance_ == nullptr)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        if(singleInstance_ == nullptr)
        {
            volatile auto tmp = new (std::nothrow) SingleInstance();
            singleInstance_ = tmp;
        }
    }
    return singleInstance_;
}

// 进程退出时，销毁实例
void SingleInstance::deleteInstance()
{   
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);  // 加锁
    if(singleInstance_)
    {
        delete singleInstance_;
        singleInstance_ = nullptr;
    }
}
2. 经典实现方法：“静态局部变量”+“懒汉单例”（C++11线程安全）
class Single
{
public:
    static Single &getInstance()
    {
        // 局部静态变量只在第一次使用的时候初始化
        Single single;
        retunr single;
    }

    void print();

private:
    Single();
    ~Single();

    // 禁止拷贝和赋值
    Single(const Single &single) = delete;
    Single &operator=(const Single &single) = delete;
};
3. 饿汉式单例（线程安全）
#include <iostream>
// 饿汉模式
HungrySingle *hungrySingle_ = new (std::nothrow) HungrySingle();

class HungrySingle
{
public:
    static HungrySingle *getInstance()
    {
        return hungrySingle_;
    }

    static deleteInstance()
    {
        if(hungrySingle_)
        {
            delete hungrySingle_;
            hungrySingle_ = nullptr;
        }
    }
    void print() {}

private:
    HungrySingle() {}
    ~HungrySingle() {}

    HungrySingle(const HungrySingle& hungrySingle);
    const HungrySingle &operator= (const HungrySingle &hungrySingle);

    static HungrySingle *hungrySingle_;
};
4. 使用std::call_once实现单例（C++11线程安全）
#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>

class Singleton {
public:
    static std::shared_ptr<Singleton> getSingleton();

    void print() {}
    ~Singleton() {}

private:
    Singleton() {}
};

static std::shared_ptr<Singleton> singleton = nullptr;
static std::once_flag singletonFlag;

std::shared_ptr<Singleton> Singleton::getSingleton() {
    std::call_once(singletonFlag, [&] { singleton = std::shared_ptr<Singleton>(new Singleton()); });
    return singleton;
}

二、工厂模式

(一) 什么是工厂模式
1. 是什么、为什么？

工厂模式属于创建型模式，在创建对象的时候不会对客户端暴露创建逻辑，并且通过使用一个共同的接口来指向新创建的对像。将会利用到多态和继承。

2. 工厂模式分类
  • 简单工厂模式
  • 工厂方法模式
  • 抽象工厂模式
(二) 分析与实现
1. 简单工厂模式

哪个火爆就生产哪个（下面用鞋厂为例）。

核心组件：

  1. 工厂类：会定义一个用于创建指定的具体实例额接口。
  2. 抽象产品类：大类（如上图Shoes），用来继承。
  3. 具体产品类：工厂类创建的对象，具体的产品。

简单工厂模式的特点：

工厂类封装了创建具体产品对象的函数。

缺陷：

拓展性差，新增产品的时候，需要修改工厂。

代码实现：

// 鞋子抽象类
class Shoes
{
public:
    virtual ~Shoes() {}
    virtual void Show() = 0;
};

class NiKeShoes : public Shoes
{
public:
    void Show() {}
};

class AdidasShoes : public Shoes
{
public:
    void Show() {}
};

class LiNingShoes : public Shoes
{
public:
    void Show() {}
};
enum SHOES_TYPE
{
    NIKE,
    LINING,
    ADIDAS
};

// 总鞋厂
class ShoesFactory
{
public:
    // 根据鞋子类型创建对应的鞋子对象
    Shoes *CreateShoes(SHOES_TYPE type)
    {
        switch (type)
        {
        case NIKE:
            return new NiKeShoes();
            break;
        case LINING:
            return new LiNingShoes();
            break;
        case ADIDAS:
            return new AdidasShoes();
            break;
        default:
            return NULL;
            break;
        }
    }
};

在main函数调用时：

int main()
{
    // 构造工厂对象
    ShoesFactory shoesFactory;

    Shoes *pNikeShoes = shoesFactory.CreateShoes(NIKE);
    if (pNikeShoes != NULL)
    {
        // 耐克球鞋广告
        pNikeShoes->Show();
        // 释放资源
        delete pNikeShoes;
        pNikeShoes = NULL;
    }

    Shoes *pLiNingShoes = shoesFactory.CreateShoes(LINING);
    if (pLiNingShoes != NULL)
    {
        // 李宁球鞋广告
        pLiNingShoes->Show();
        // 释放资源
        delete pLiNingShoes;
        pLiNingShoes = NULL;
    }

    Shoes *pAdidasShoes = shoesFactory.CreateShoes(ADIDAS);
    if (pAdidasShoes != NULL)
    {
        // 阿迪达斯球鞋广告
        pAdidasShoes->Show();
        // 释放资源
        delete pAdidasShoes;
        pAdidasShoes = NULL;
    }
    return 0;
}
2. 工厂方法模式

每种产品都有独立的生产线

核心组件：

  1. 抽象工厂类：用于继承的“大类”。
  2. 具体工厂类：继承于抽象工厂，实现创建对应具体产品对象的方法。
  3. 抽象产品类：用于继承的“大类”。
  4. 具体产品类：具体工厂创建的具体产品对象。

工厂方法模式的特点：

  • 抽象的工厂类（“大类”）。

工厂方法模式的缺陷：

  • 每多一个产品，就需要增加一个具体工厂（“生产线”），相比简单工厂模式，需要定义更多类。
  • 一个工厂只能生产一种产品。

工厂方法模式的代码：

// 总鞋厂
class ShoesFactory
{
public:
    virtual Shoes *CreateShoes() = 0;
    virtual ~ShoesFactory() {}
};

// 耐克生产者/生产链
class NiKeProducer : public ShoesFactory
{
public:
    Shoes *CreateShoes() { return new NiKeShoes(); }
};

// 阿迪达斯生产者/生产链
class AdidasProducer : public ShoesFactory
{
public:
    Shoes *CreateShoes() { return new AdidasShoes(); }
};

// 李宁生产者/生产链
class LiNingProducer : public ShoesFactory
{
public:
    Shoes *CreateShoes() { return new LiNingShoes(); }
};

main函数执行：

int main()
{
    // 鞋厂开设耐克生产线
    ShoesFactory *niKeProducer = new NiKeProducer();
    // 耐克生产线产出球鞋
    Shoes *nikeShoes = niKeProducer->CreateShoes();
    // 耐克球鞋广告
    nikeShoes->Show();
    // 释放资源
    delete nikeShoes;
    delete niKeProducer;

    // 鞋厂开设阿迪达斯生产者
    ShoesFactory *adidasProducer = new AdidasProducer();
    // 阿迪达斯生产线产出球鞋
    Shoes *adidasShoes = adidasProducer->CreateShoes();
    // 阿迪达斯球鞋广告
    adidasShoes->Show();
    // 释放资源
    delete adidasShoes;
    delete adidasProducer;

    return 0;
}
3. 抽象工厂模式

产品不止一类，比如上面提到的鞋厂也要生产运动服。

核心组件：和工厂方法模式一样

抽象工厂模式的特点：

  • 一个接口，可以创建多个产品族中的产品对象。如上图，耐克工厂->耐克衣服、耐克鞋子。

抽象工厂模式的缺陷：和工厂方法模式一样，新增产品必须添加具体工厂类

抽象工厂模式代码：

// 基类 衣服
class Clothe
{
public:
    virtual void Show() = 0;
    virtual ~Clothe() {}
};

// 耐克衣服
class NiKeClothe : public Clothe
{
public:
    void Show() {}
};

// 基类 鞋子
class Shoes
{
public:
    virtual void Show() = 0;
    virtual ~Shoes() {}
};

// 耐克鞋子
class NiKeShoes : public Shoes
{
public:
    void Show() {}
};
// 总厂
class Factory
{
public:
    virtual Shoes *CreateShoes() = 0;
	virtual Clothe *CreateClothe() = 0;
    virtual ~Factory() {}
};

// 耐克生产者/生产链
class NiKeProducer : public Factory
{
public:
    Shoes *CreateShoes() { return new NiKeShoes(); }
	
	Clothe *CreateClothe() { return new NiKeClothe(); }
};

main函数执行：

int main()
{
    // 鞋厂开设耐克生产线
    Factory *niKeProducer = new NiKeProducer();

    // 耐克生产线产出球鞋
    Shoes *nikeShoes = niKeProducer->CreateShoes();
    // 耐克生产线产出衣服
    Clothe *nikeClothe = niKeProducer->CreateClothe();

    // 耐克球鞋广告
    nikeShoes->Show();
    // 耐克衣服广告
    nikeClothe->Show();

    // 释放资源
    delete nikeShoes;
    delete nikeClothe;
    delete niKeProducer;

    return 0;
}
(三) 封装性更好的工厂模式
1. 模板工厂

对于工厂方法模式，模板编程，把工厂类改为模板工厂类。

模板工厂模式代码：

产品类：

// 基类 鞋子
class Shoes
{
public:
virtual void Show() = 0;
virtual ~Shoes() {}
};

// 耐克鞋子
class NiKeShoes : public Shoes
{
public:
void Show() {}
};

// 基类 衣服
class Clothe
{
public:
virtual void Show() = 0;
virtual ~Clothe() {}
};

// 优衣库衣服
class UniqloClothe : public Clothe
{
public:
void Show() {}
};

模板的工厂类：

// 抽象模板工厂类
// 模板参数：AbstractProduct_t 产品抽象类
template <class AbstractProduct_t>
class AbstractFactory
{
public:
    virtual AbstractProduct_t *CreateProduct() = 0;
    virtual ~AbstractFactory() {}
};

// 具体模板工厂类
// 模板参数：AbstractProduct_t 产品抽象类，ConcreteProduct_t 产品具体类
template <class AbstractProduct_t, class ConcreteProduct_t>
class ConcreteFactory : public AbstractFactory<AbstractProduct_t>
{
public:
    AbstractProduct_t *CreateProduct()
    {
        return new ConcreteProduct_t();
    }
};
2. 产品注册模板类 + 单例工厂模板类

在模板工厂中，对工厂类进行了模板编程的封装。不过，对于产品类，还是缺少一个可以统一随时随地获取指定产品对对象的类。

对此，我们可以把产品注册的对象用map保存起来。

// 基类，产品注册模板接口类
// 模板参数 ProductType_t 表示的类是产品抽象类
template <class ProductType_t>
class IProductRegistrar
{
public:
   // 获取产品对象抽象接口
   virtual ProductType_t *CreateProduct() = 0;

protected:
   // 禁止外部构造和虚构, 子类的"内部"的其他函数可以调用
   IProductRegistrar() {}
   virtual ~IProductRegistrar() {}

private:
   // 禁止外部拷贝和赋值操作
   IProductRegistrar(const IProductRegistrar &);
   const IProductRegistrar &operator=(const IProductRegistrar &);
};

// 工厂模板类，用于获取和注册产品对象
// 模板参数 ProductType_t 表示的类是产品抽象类
template <class ProductType_t>
class ProductFactory
{
public:
   // 获取工厂单例，工厂的实例是唯一的
   static ProductFactory<ProductType_t> &Instance()
   {
      static ProductFactory<ProductType_t> instance;
      return instance;
   }

   // 产品注册
   void RegisterProduct(IProductRegistrar<ProductType_t> *registrar, std::string name)
   {
      m_ProductRegistry[name] = registrar;
   }

   // 根据名字name，获取对应具体的产品对象
   ProductType_t *GetProduct(std::string name)
   {
      // 从map找到已经注册过的产品，并返回产品对象
      if (m_ProductRegistry.find(name) != m_ProductRegistry.end())
      {
         return m_ProductRegistry[name]->CreateProduct();
      }

      // 未注册的产品，则报错未找到
      std::cout << "No product found for " << name << std::endl;

      return NULL;
   }

private:
   // 禁止外部构造和虚构
   ProductFactory() {}
   ~ProductFactory() {}

   // 禁止外部拷贝和赋值操作
   ProductFactory(const ProductFactory &);
   const ProductFactory &operator=(const ProductFactory &);

   // 保存注册过的产品，key:产品名字 , value:产品类型
   std::map<std::string, IProductRegistrar<ProductType_t> *> m_ProductRegistry;
};

// 产品注册模板类，用于创建具体产品和从工厂里注册产品
// 模板参数 ProductType_t 表示的类是产品抽象类（基类），ProductImpl_t 表示的类是具体产品（产品种类的子类）
template <class ProductType_t, class ProductImpl_t>
class ProductRegistrar : public IProductRegistrar<ProductType_t>
{
public:
   // 构造函数，用于注册产品到工厂，只能显示调用
   explicit ProductRegistrar(std::string name)
   {
      // 通过工厂单例把产品注册到工厂
      ProductFactory<ProductType_t>::Instance().RegisterProduct(this, name);
   }

   // 创建具体产品对象指针
   ProductType_t *CreateProduct()
   {
      return new ProductImpl_t();
   }
};

关键之处：

  1. 在产品注册模板接口类中，产品的构造和析构是protected权限，用于在模板工厂注册产品。
  2. 模板工厂中，有一个map<产品名字，产品类型>，记录注册的产品。
  3. 单独一个模板产品注册类，它的构造函数用于向map注册产品，只能显式调用。

声明

工厂模式的内容是从小林coding相关文章总结而来，UML图也是来自小林coding。C++ 深入浅出工厂模式（进阶篇）_"我是耐克球鞋,我的广告语:just do it\" 工厂模式"-CSDN博客icon-default.png?t=N7T8https://blog.csdn.net/qq_34827674/article/details/100864623

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