C++之單例的幾種寫法
單例可以說是眾多設(shè)計模式中最常用的了，同時單例設(shè)計模式也是一個老生常談的問題，這是因為寫一個單例卻是很簡單，但是想要寫好一個單例卻比較難。
首先我們先來理一下在C++中實現(xiàn)單例最基本的幾個步驟：
- 私有化構(gòu)造函數(shù)、拷貝構(gòu)造函數(shù)、賦值運算符等；
- 確保線程安全；
- static靜態(tài)變量只初始化一次；
單例的幾種模式
1.最簡單的餓漢模式
#include <iostream>
class Singleton {
private:
// 聲明
static Singleton* instance;
int a{0};
Singleton() {
std::cout << "Singleton 構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
Singleton(const Singleton& temp) {
std::cout << "Singleton 拷貝構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
Singleton& operator = (const Singleton& temp){
return *instance;
}
public:
static Singleton* getInstance() {
return instance;
}
void addA(){
a++;
}
void printA(){
std::cout << "printA:" << a << std::endl;
}
};
// 類靜態(tài)變量要在類內(nèi)聲明，類外定義
Singleton *Singleton::instance = new Singleton;
int main() {
Singleton* singleton = Singleton::getInstance();
singleton->addA();
singleton->printA();
return 0;
}這種寫法常用，但是也藏了一些隱患，比如如果使用者自作聰明在通過函數(shù)getInstance獲取到了單例指針，使用完畢后調(diào)用delete刪除了指針那怎么辦？ 請問作為"資深"的復(fù)制粘貼工程師你知道怎么避免這種情況嗎？
一把情況下我們?nèi)绻幌Ｍ_發(fā)者調(diào)用delete刪除指針，可以直接重載delete函數(shù)，并且將其設(shè)置偉私有方法，或者在C++11以上我們直接使用delete關(guān)鍵字將delete函數(shù)禁用掉。
上面的代碼例子是指針形式的單例，當(dāng)然你也可以試試非指針式的單例書寫，其實更推薦非指針式的單例。
2.加鎖的餓漢模式
#include <iostream>
#include <mutex>
class Singleton {
private:
int a{0};
// 聲明
static std::mutex mtx;
static Singleton* instance;
Singleton(){
}
Singleton(const Singleton& temp) {
std::cout << "Singleton 拷貝構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
Singleton& operator=(const Singleton& temp){
return *instance;
}
public:
static Singleton* getInstance() {
// 鎖、雙重判斷
if(nullptr == instance){
mtx.lock();
if (nullptr == instance) {
instance = new Singleton();
}
mtx.unlock();
}
return instance;
}
void addA(){
a++;
}
void printA(){
std::cout << "printA:" << a << std::endl;
}
};
// 需要定義
std::mutex Singleton::mtx;
Singleton *Singleton::instance{nullptr};
int main() {
Singleton* singleton = Singleton::getInstance();
singleton->addA();
singleton->printA();
return 0;
}想用懶加載模式，同時為了保證線程安全，以上代碼是很多童鞋會寫出的示例代碼，然而在C++上述代碼卻并不能一定保證正確。
這是因為程序在執(zhí)行的過程中，出于效率的考量，兩個（在當(dāng)前線程中）沒有依賴的指令可能會調(diào)換順序執(zhí)行也就是 CPU 動態(tài)調(diào)度。對于 CPU 來說，這已經(jīng)是幾十年的老技術(shù)了， 這里就不多說了。
因此以上這個鎖加雙重判斷的懶漢模式既繁瑣又不安全，并不推薦。
3.C++11之后新特性std::call_once的模式
在單例的實現(xiàn)中，我們實際上是希望實現(xiàn)「執(zhí)行且只執(zhí)行一次」的語義。這在 C++11 之后，標(biāo)準(zhǔn)庫實際已經(jīng)提供了這樣的實現(xiàn)。 那就是std::once_flag和std::call_once。它們內(nèi)部利用互斥量和條件變量組合，實現(xiàn)了「執(zhí)行且只執(zhí)行一次」這樣的語義。
下面我們看看使用std::once_flag和std::call_once實現(xiàn)的單例代碼實例：
#include <iostream>
#include <mutex>
class Singleton {
private:
int a{0};
// 聲明
static std::once_flag flag;
static Singleton* instance;
Singleton(){
std::cout << "Singleton 構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
Singleton(const Singleton& temp) {
std::cout << "Singleton 拷貝構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
Singleton& operator=(const Singleton& temp){
return *instance;
}
public:
static Singleton* getInstance() {
std::call_once(flag, [&]() -> void {
instance = new Singleton;
});
return instance;
}
void addA(){
a++;
}
void printA(){
std::cout << "printA:" << a << std::endl;
}
};
// 需要定義
std::once_flag Singleton::flag;
Singleton *Singleton::instance{nullptr};
int main() {
Singleton* singleton = Singleton::getInstance();
singleton->addA();
singleton->printA();
Singleton::getInstance()->addA();
Singleton::getInstance()->printA();
return 0;
}實例代碼運行結(jié)果：
需要注意的是，所有的 std::once_flag 內(nèi)部共享了同一對互斥量和條件變量。因此當(dāng)存在很多 std::call_once 的時候，性能會有所下降。 但是從另外一個角度想想如果一個程序中存在很多的std::call_once，那么這個程序本身就設(shè)計得很不合理，這種情況更應(yīng)該從程序設(shè)計的源頭上避免。
4.函數(shù)內(nèi)static變量的模式
在 C++11 之后，C++標(biāo)準(zhǔn)保證函數(shù)靜態(tài)成員的初始化是線程安全的，對其讀寫則不保證線程安全。既然如此，那么我在直接在函數(shù)內(nèi)部使用static 修飾一個單例變量不就好了么？
精簡一下代碼如下：
#include <iostream>
class Singleton {
private:
int a{0};
Singleton(){
std::cout << "Singleton 構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
Singleton(const Singleton& temp) {
std::cout << "Singleton 拷貝構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
Singleton& operator=(const Singleton& temp){
return *this;
}
public:
static Singleton* getInstance() {
static Singleton instance;
return &instance;
}
void addA(){
a++;
}
void printA(){
std::cout << "printA:" << a << std::endl;
}
};
int main() {
Singleton* singleton = Singleton::getInstance();
singleton->addA();
singleton->printA();
Singleton::getInstance()->addA();
Singleton::getInstance()->printA();
return 0;
}以上代碼實現(xiàn)的單例即是線程安全，同時也是懶加載的，這就是在C++11之后，Effective C++最推薦的單例模式寫法。
模版形式的單例
實現(xiàn)一個類模板，其模板參數(shù)是希望由單例管理的類的名字，并提供 getInstance 之類的靜態(tài)接口。這種做法的好處是希望被單例管理的類，可以自由編寫，而無需繼承基類；并且在需要的時候，可以隨時脫去單例外衣。
#include <iostream>
template <typename T>
struct Singleton {
static T* getInstance() {
static T ins;
return &ins;
}
};
class A{
private:
int a{0};
A(const A& tmp){
std::cout << "A拷貝構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
A& operator=(const A& tmp){
std::cout << "A賦值運算符" << std::endl;
return *this;
}
public:
A(){
std::cout << "A構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}
void addA(){
a++;
}
void printA(){
std::cout << "printA:" << a << std::endl;
}
};
int main() {
A* singleton = Singleton<A>::getInstance();
singleton->addA();
singleton->printA();
A* singleton1 = Singleton<A>::getInstance();
singleton1->addA();
singleton1->printA();
return 0;
}由上面的代碼可以看出，單例管理就交給了模版Singleton去控制了，類A本身就不知乎嚴(yán)格控制自己是否是單例了，這種實現(xiàn)就比較的靈活，如果你想使用單例的類A就搭配Singleton的模版進行使用即可， 如果你想使用非單例的類A就像正常那樣使用即可。
