c++的單例模式及c++11對單例模式的優化

單例模式

單例模式，可以說設計模式中最常應用的一種模式了，據說也是面試官最喜歡的題目。但是如果沒有學過設計模式的人，可能不會想到要去應用單例模式，面對單例模式適用的情況，可能會優先考慮使用全局或者靜態變量的方式，這樣比較簡單，也是沒學過設計模式的人所能想到的最簡單的方式了。

一般情況下，我們建立的一些類是屬於工具性質的，基本不用存儲太多的跟自身有關的數據，在這種情況下，每次都去new一個對象，即增加了開銷，也使得代碼更加臃腫。其實，我們只需要一個實例對象就可以。如果采用全局或者靜態變量的方式，會影響封裝性，難以保證別的代碼不會對全局變量造成影響。

考慮到這些需要，我們將默認的構造函數聲明為私有的，這樣就不會被外部所new了，甚至可以將析構函數也聲明為私有的，這樣就只有自己能夠刪除自己了。在Java和C#這樣純的面向對象的語言中，單例模式非常好實現，直接就可以在靜態區初始化instance，然后通過getInstance返回，這種就被稱為餓漢式單例類。也有些寫法是在getInstance中new instance然后返回，這種就被稱為懶漢式單例類，但這涉及到第一次getInstance的一個判斷問題。

下面的代碼只是表示一下，跟具體哪種語言沒有關系。

單線程中：

Singleton* getInstance()
{
    if (instance == NULL)
        instance = new Singleton();
 
    return instance;
}

這樣就可以了，保證只取得了一個實例。但是在多線程的環境下卻不行了，因為很可能兩個線程同時運行到if (instance == NULL)這一句，導致可能會產生兩個實例。於是就要在代碼中加鎖。

Singleton* getInstance()
{
    lock();
    if (instance == NULL)
    {
       instance = new Singleton();
    }
    unlock();

    return instance;
}

但這樣寫的話，會稍稍映像性能，因為每次判斷是否為空都需要被鎖定，如果有很多線程的話，就愛會造成大量線程的阻塞。於是出現了雙重鎖定。

Singleton* getInstance()
{
    if (instance == NULL)
    {
    lock();
        if (instance == NULL)
        {
               instance = new Singleton();
        }
        unlock();
    }

    return instance;
}

這樣只夠極低的幾率下，通過越過了if (instance == NULL)的線程才會有進入鎖定臨界區的可能性，這種幾率還是比較低的，不會阻塞太多的線程，但為了防止一個線程進入臨界區創建實例，另外的線程也進去臨界區創建實例，又加上了一道防御if (instance == NULL)，這樣就確保不會重復創建了。

常用的場景

單例模式常常與工廠模式結合使用，因為工廠只需要創建產品實例就可以了，在多線程的環境下也不會造成任何的沖突，因此只需要一個工廠實例就可以了。

 

優點

1.減少了時間和空間的開銷（new實例的開銷）。

2.提高了封裝性，使得外部不易改動實例。

 

缺點

1.懶漢式是以時間換空間的方式。（上面使用的方式）

2.餓漢式是以空間換時間的方式。（下面使用的方式）

 

#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_


class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance();

private:
    Singleton();
    //把復制構造函數和=操作符也設為私有,防止被復制
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);

    static Singleton* instance;
};

#endif
 

#include "Singleton.h"


Singleton::Singleton(){

}


Singleton::Singleton(const Singleton&){

}


Singleton& Singleton::operator=(const Singleton&){

}


//在此處初始化
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
Singleton* Singleton::getInstance(){
    return instance;
}
 

#include "Singleton.h"
#include <stdio.h>


int main(){
    Singleton* singleton1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* singleton2 = Singleton::getInstance();

    if (singleton1 == singleton2)
        fprintf(stderr,"singleton1 = singleton2\n");

    return 0;
}

 

以上使用的方式存在問題：只能實例化沒有參數的類型，其它帶參數的類型就不行了。

c++11 為我們提供了解決方案：可變模板參數

　　

template <typename T>
class Singleton
{
public:
template<typename... Args>
　　static T* Instance(Args&&... args)
　　{
        if(m_pInstance==nullptr)
            m_pInstance = new T(std::forward<Args>(args)...);
        return m_pInstance;
    }
　　static T* GetInstance()
    　　{
        　　　　if (m_pInstance == nullptr)
            　　　　　　throw std::logic_error("the instance is not init, please initialize the instance first");
        　　　　return m_pInstance;
    　　}
static void DestroyInstance()
    {
        delete m_pInstance;
        m_pInstance = nullptr;
    }

private:
        Singleton(void);
        virtual ~Singleton(void);
        Singleton(const Singleton&);
        Singleton& operator = (const Singleton&);
private:
    static T* m_pInstance;
};

template <class T> T*  Singleton<T>::m_pInstance = nullptr;

由於原來的接口中，單例對象的初始化和取值都是一個接口，可能會遭到誤用，更新之后，講初始化和取值分為兩個接口，單例的用法為：先初始化，后面取值，如果中途銷毀單例的話，需要重新取值。如果沒有初始化就取值則會拋出一個異常。

 

Multiton的實現

#include <map>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

template < typename T, typename K = string>
class Multiton
{
public:
    template<typename... Args>
    static std::shared_ptr<T> Instance(const K& key, Args&&... args)
    {
        return GetInstance(key, std::forward<Args>(args)...);
    }

    template<typename... Args>
    static std::shared_ptr<T> Instance(K&& key, Args&&... args)
    {
        return GetInstance(key, std::forward<Args>(args)...);
    }
private:
    template<typename Key, typename... Args>
    static std::shared_ptr<T> GetInstance(Key&& key, Args&&...args)
    {
        std::shared_ptr<T> instance = nullptr;
        auto it = m_map.find(key);
        if (it == m_map.end())
        {
            instance = std::make_shared<T>(std::forward<Args>(args)...);
            m_map.emplace(key, instance);
        }
        else
        {
            instance = it->second;
        }

        return instance;
    }

private:
    Multiton(void);
    virtual ~Multiton(void);
    Multiton(const Multiton&);
    Multiton& operator = (const Multiton&);
private:
    static map<K, std::shared_ptr<T>> m_map;
};

template <typename T, typename K>
map<K, std::shared_ptr<T>> Multiton<T, K>::m_map;