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【设计模式】C++单例模式的几种写法——Java自动加载内部类对象，C++怎么破？

IP云
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08/08
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单例模式是最简单的设计模式，就让我像玩简单的游戏一样写下去吧。

v1: 简单模式

和这个版本有过一面之缘，但不敢苟同。

class Singleton
{
private:
Singleton() {}
public:
static Singleton * getIns()
{
static Singleton * ins = new Singleton();
return ins;
}
};

问题：何时析构不明确；最重要的是调用多次getIns函数会产生多个static Singleton指针，指向每次都调用都new出来的实例。

v2: 一般模式

典型写法

class Singleton
{
private:
Singleton() {}
static Singleton * ins;
public:
static Singleton * getIns()
{
if(!ins) ins = new Singleton();
return ins;
}
};static Singleton * Singleton::ins = NULL;

问题：仍然未考虑析构问题；对象可能被复制出多个副本。

Java中由于允许在调用构造函数之前先初始化变量，因此有这样一种写法：

public class Singleton
{
private Singleton() {}
public static Singleton ins = new Singleton();
public static Singleton * getIns()
{
return ins;
}
};

简洁明了，也是蛮OK啦，析构也省了，并且由于初始化这个语句是JVM做的，因此人工的同步也省了（不带这么欺负C++程序员的 = =）。

v3: 加强模式

加入私有的复制构造函数以防出现单例对象的副本；加入一个内部静态类，整个程序结束后，静态类随着其他静态变量消亡，此时调用析构函数将ins析构。

class Singleton
{
private:
Singleton() {}
Singleton(const Singleton & s) {}
Singleton & operator = (const Singleton & s) {} static Singleton * ins; public:
static Singleton * getIns()
{
if(!ins) ins = new Singleton();
return ins;
} class CGarbo // 内部类
{
public:
~CGarbo()
{
if(Singleton::ins)
delete Singleton::ins;
}
};
static CGarbo Garbo;
};
static Singleton * Singleton::ins = NULL;

问题：不是线程安全的。

v4: hard模式

static Singleton * getIns()
{
pthread_mutex_lock( &mutex_lock );
if(!ins) ins = new Singleton();
pthread_mutex_unlock( &mutex_lock );
return ins;
}

问题：不管ins是不是空，都要加锁，代价高

v5: 再接再励模式

当ins不为空时，反正getIns函数不管读写，直接返回就好了，读写锁尽可交给使用者。

static Singleton * getIns()
{
if(!ins)
{
pthread_mutex_lock( &mutex_lock );
if(!ins) ins = new Singleton();
pthread_mutex_unlock( &mutex_lock );
}
return ins;
}

自然，getIns加了锁，析构的时候也同样要加锁。继续学习，再接再励！

v6：虎牢关模式

实际上，只有在第一次创建单例的时候需要获得锁。既然可以用一个内部类的静态实例实现单例对象的自动释放，何不把该静态对象的初始化也交由该内部类来维护呢：

class Singleton
{
public:
Singleton() {}
Singleton(const Singleton &s) {}
Singleton & operator = (const Singleton & s) {}public:
static Singleton *getInstance()
{
return GC::pinstance;
} class GC
{
public:
static Singleton *pinstance;
GC()
{
pinstance = new Singleton();
}
~GC()
{
if( pinstance )
{
delete pinstance;
}
}
};
GC gc;
};
Singleton * Singleton::GC::pinstance = nullptr;

注意，此处将Singleton的构造函数改成了public。因为在系统中没有Singleton实例时，Singleton的static成员也是不会被创建的，因此需将构造函数改成public，在使用词单例类时，先声明一个Singleton对象。

如此，进程启动，在初始化阶段先初始化了不属于任何实例对象的Singleton的各个静态成员，顺便new好了我们所需的单例对象指针，这一过程不是线程来干的，因此这样的new操作是安全的。而在程序运行结束时，gc自动析构，将单例对象释放掉，这一过程也不是线程来干的，因此也是线程安全的，そして，至于pthread_mutex? WTF。而由于不管存在多少Singleton对象，每次getInstance必然获取到的是同一个instance。

v7:  终极模式

等等，所有“非你莫属”的类，都要改写成单例模式么？NONONO，能不能只写一个单例模式，所有需要限制实例个数的类都可复用之？这样，当系统中需要多个不同类的单例对象时，可以节约许多代码。当然可以做到，用模板就可以：

template <typename T>
class Singleton
{
public:
Singleton() {}
Singleton(const Singleton &s) {}
Singleton & operator = (const Singleton & s) {}public:
static Singleton *getInstance()
{
return GC::pinstance;
} class GC
{
public:
static T *pinstance;
GC()
{
pinstance = new T();
}
~GC()
{
if( pinstance )
{
delete pinstance; pinstance = nullptr;
}
}
};
GC gc;
};
template <typename T>
T * Singleton<T>::GC::pinstance = nullptr;

当然很显然，使用了模板的话，就需要一些约定俗成的东西了，例如在实例化的时候需要一个不带参数的构造函数T()。在使用时，对于用Singleton<T>::getInstance函数返回得到的对象指针，就是非你莫属的同一个指针了：

int main()
{
Singleton<int> sgton;
int *p1 = Singleton<int>::getInstance();
int *p2 = Singleton<int>::getInstance();
int *p3 = Singleton<int>::getInstance();
printf("%x\n", p1);
cout <<(p1==p2)<<endl;
cout <<(p2==p3)<<endl;
return ;
}

以上测试代码的结果为0x........ 1 1.

ちょっと待って！！还不够！以上代码还是有问题的！注意此时我们要限制对象个数的不是Singleton对象了，而是T对象。因此设计目标是：不管申明多少个Singleton对象都是合法的，而不管申明了多少个Singleton对象，调用getInstance都只会得到一个T对象。

再看上面的代码，如果用户手贱声明了多个Singleton对象会怎么样呢？对于一个Singleton类的static对象，只要程序中的Singleton对象个数大于0，就会维护唯一的一个static变量。可是上面的static变量是个指针！！这就意味着每次构造Singleton对象时，都会调用GC构造函数中的new运算符，将一个新的T对象的地址赋值给pinstance！！那旧的那个呢？WHO CARES！！这样一来轻则导致内存泄漏，重则导致系统运行出错——如果先申明了一个Singleton对象，用着用着中间又声明出来一个Singleton对象，那么pinstance指向的内容就被偷换了！

说了这么多，为了防止发生这样的事情，只需要在new的时候和delete的时候稍稍注意一下即可，为了防止new两次，加上if语句；为了防止delete两次（当然在其他场合也一样），养成delete之后就将指针赋为空，以免指针在其他地方被误引用。

template <typename T>
class Singleton
{
public:
Singleton() {}
Singleton(const Singleton &s) {}
Singleton & operator = (const Singleton & s) {}public:
static T *getInstance()
{
return GC::pinstance;
} class GC
{
public:
static T *pinstance;
GC()
{
if( !pinstance ) pinstance = new T();
}
~GC()
{
if( pinstance )
{
delete pinstance; pinstance = nullptr;
}
}
};
static GC gc;
};
template <typename T>
T * Singleton<T>::GC::pinstance = nullptr;

这样一来，只要在起子线程之前声明一个Singleton对象，那么不管后面是main线程还是子线程声明了其他的Singleton对象，T对象都不会出现第二个。

反思：

1  为什么Java用内部类维护单例？Java这么做是为了在不写synchronized关键字（减少锁的代价）的情况下，采用延时加载的方式实现单例。怎么做到不用锁而做到线程安全呢？在Java中，内部类都只会加载一次，因此内部类的初始化过程有且仅有一次，而这个过程是JVM干的，不受用户多线程的影响。为什么是延时加载呢？只有getInstance()用到了内部类的时候，才会加载内部类。

2  为什么C++写法和Java延时加载且线程安全的单例写法不一样呢？C++是不会加载内部类的，只有当有对象需要实例化时，才调用其构造函数进行初始化，同时也初始化内部类的static变量。如果像Java一样只是定义一个内部类而不去实例化它，是不行的。因此按照上面的写法，使用该单例模板类必须先定义一个Singleton对象，这时候由于内部类作为Singleton的成员，会先被构造，“顺便地”就正确地new出了一个T对象，pinstance指针是static变量，一个类最多只有一个，所以不会有两个pinstance，那么只要再内部类的构造中防止new出两个T对象，就可以保证进程中有唯一的pinstance指向唯一的T。

to be continue