剑指offer 面试题2 Singleton模式 C++实现

参考：

1、题目来源《剑指offer 名企面试官精讲典型编程题 纪念版-何海涛 著》

2、C++设计模式——单例模式： http://www.jellythink.com/archives/82

3、C++11多线程教程：http://billhoo.blog.51cto.com/2337751/1294190

题目：实现Singleton模式

​ 以下内容是我在看《剑指offer》的面试题2时，遇到的问题，因为书中使用C#实现，所以想用C++重新实现一下，Test方法不够全，后续还要完善。C++实现过程主要参考：C++设计模式——单例模式。

​ 代码中的注释一般是我的笔记，或一些发现。

​ PS: 感谢勤劳的慵懒君~~ @亦余心之所向兮

1 解法一：单线程解法

缺点：多线程情况下，每个线程可能创建出不同的Singleton实例

// 剑指offer 面试题2 实现Singleton模式#include <iostream>using namespace std;class Singleton{public:    static Singleton* getInstance()    {        // 在后面的Singleton实例初始化时，若后面是new Singleton()，则此处不必new；（废话）        // 若后面是赋值成NULL，则此处需要判断，需要时new        // 注意！然而这两种方式并不等价！后面的Singleton实例初始化时，new Singleton(),其实是线程安全的，因为static初始化是在主函数main()之前，那么后面的方法岂不是很麻烦。。。。这也是我测试的时候想到的        /*        if(m_pInstance == NULL)        {            m_pInstance = new Singleton();        }        */        return m_pInstance;    }    static void destroyInstance()    {        if(m_pInstance != NULL)        {            delete m_pInstance;            m_pInstance = NULL;        }    }private:    Singleton(){}    static Singleton* m_pInstance;};// Singleton实例初始化Singleton* Singleton::m_pInstance = new Singleton(); // 前面不能加static，会和类外全局static混淆// 单线程获取多次实例void Test1(){    // 预期结果：两个实例指针指向的地址相同    Singleton* singletonObj = Singleton::getInstance();    cout << singletonObj << endl;    Singleton* singletonObj2 = Singleton::getInstance();    cout << singletonObj2 << endl;    Singleton::destroyInstance();}int main(){    Test1();    return 0;}

2 解法二：多线程+加锁

​ 解法1是最简单，也是最普遍的实现方式，也是现在网上各个博客中记述的实现方式，但是，这种实现方式，有很多问题，比如：没有考虑到多线程的问题，在多线程的情况下，就可能创建多个Singleton实例，以下版本是改善的版本。
​ 注意：下面的代码涉及互斥锁以及多线程测试，使用了C++11的多线程库，std::thread,，std::mutex，请使用支持C++11多线程的编译器，并确认开启了C++11的编译选项，具体方法见：http://blog.csdn.net/huhaijing/article/details/51753085

#include <iostream>#include <mutex>#include <thread>#include <vector>using namespace std;class Singleton{private:    static mutex m_mutex; // 互斥量    Singleton(){}    static Singleton* m_pInstance;public:    static Singleton* getInstance(){        if(m_pInstance == NULL){            m_mutex.lock(); // 使用C++11中的多线程库            if(m_pInstance == NULL){ // 两次判断是否为NULL的双重检查                m_pInstance = new Singleton();            }            m_mutex.unlock();        }        return m_pInstance;    }    static void destroyInstance(){        if(m_pInstance != NULL){            delete m_pInstance;            m_pInstance = NULL;        }    }};Singleton* Singleton::m_pInstance = NULL; // 所以说直接new 多好啊，可以省去Lock/Unlock的时间mutex Singleton::m_mutex;void print_singleton_instance(){    Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();    cout << singletonObj << endl;}// 多个进程获得单例void Test1(){    // 预期结果，打印出相同的地址，之间可能缺失换行符，也属正常现象    vector<thread> threads;    for(int i = 0; i < 10; ++i){        threads.push_back(thread(print_singleton_instance));    }    for(auto& thr : threads){        thr.join();    }}int main(){    Test1();    Singleton::destroyInstance();    return 0;}

​ 此处进行了两次m_pInstance == NULL的判断，是借鉴了Java的单例模式实现时，使用的所谓的“双检锁”机制。因为进行一次加锁和解锁是需要付出对应的代价的，而进行两次判断，就可以避免多次加锁与解锁操作，同时也保证了线程安全。但是，如果进行大数据的操作，加锁操作将成为一个性能的瓶颈；为此，一种新的单例模式的实现也就出现了。

3 解法三：const static 型实例

#include <iostream>#include <thread>#include <vector>using namespace std;class Singleton{private:    Singleton(){}    static const Singleton* m_pInstance;public:    static Singleton* getInstance(){        return const_cast<Singleton *>(m_pInstance); // 去掉“const”特性        // 注意！若该函数的返回值改为const static型，则此处不必进行const_cast静态转换        // 所以该函数可以改为：        /*        const static Singleton* getInstance(){            return m_pInstance;        }        */    }    static void destroyInstance(){        if(m_pInstance != NULL){            delete m_pInstance;            m_pInstance = NULL;        }    }};const Singleton* Singleton::m_pInstance = new Singleton(); // 利用const只能定义一次，不能再次修改的特性，static继续保持类内只有一个实例void print_singleton_instance(){    Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();    cout << singletonObj << endl;}// 多个进程获得单例void Test1(){    // 预期结果，打印出相同的地址，之间可能缺失换行符，也属正常现象    vector<thread> threads;    for(int i = 0; i < 10; ++i){        threads.push_back(thread(print_singleton_instance));    }    for(auto& thr : threads){        thr.join();    }}int main(){    Test1();    Singleton::destroyInstance();    return 0;}

​ 因为静态初始化在程序开始时，也就是进入主函数之前，由主线程以单线程方式完成了初始化，所以静态初始化实例保证了线程安全性。在性能要求比较高时，就可以使用这种方式，从而避免频繁的加锁和解锁造成的资源浪费。由于上述三种实现，都要考虑到实例的销毁，关于实例的销毁，待会在分析。

4 解法四：在get函数中创建并返回static临时实例的引用

PS：该方法不能人为控制单例实例的销毁

#include <iostream>#include <thread>#include <vector>using namespace std;class Singleton{private:    Singleton(){}public:    static Singleton* getInstance(){        static Singleton m_pInstance; // 注意，声明在该函数内        return &m_pInstance;    }};void print_singleton_instance(){    Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();    cout << singletonObj << endl;}// 多个进程获得单例void Test1(){    // 预期结果，打印出相同的地址，之间可能缺失换行符，也属正常现象    vector<thread> threads;    for(int i = 0; i < 10; ++i){        threads.push_back(thread(print_singleton_instance));    }    for(auto& thr : threads){        thr.join();    }}// 单个进程获得多次实例void Test2(){    // 预期结果，打印出相同的地址，之间换行符分隔    print_singleton_instance();    print_singleton_instance();}int main(){    cout << "Test1 begins: " << endl;    Test1();    cout << "Test2 begins: " << endl;    Test2();    return 0;}

以上就是四种主流的单例模式的实现方式。

5 解法五：最终方案，最简&显式控制实例销毁

​ 在上述的四种方法中，除了第四种没有使用new操作符实例化对象以外，其余三种都使用了；

​ 我们一般的编程观念是，new操作是需要和delete操作进行匹配的；是的，这种观念是正确的。在上述的实现中，是添加了一个destoryInstance的static函数，这也是最简单，最普通的处理方法了；但是，很多时候，我们是很容易忘记调用destoryInstance函数，就像你忘记了调用delete操作一样。由于怕忘记delete操作，所以就有了智能指针；那么，在单例模型中，没有“智能单例”，该怎么办？怎么办？

​ 在实际项目中，特别是客户端开发，其实是不在乎这个实例的销毁的。因为，全局就这么一个变量，全局都要用，它的生命周期伴随着软件的生命周期，软件结束了，它也就自然而然的结束了，因为一个程序关闭之后，它会释放它占用的内存资源的，所以，也就没有所谓的内存泄漏了。

​ 但是，有以下情况，是必须需要进行实例销毁的：

1. 在类中，有一些文件锁了，文件句柄，数据库连接等等，这些随着程序的关闭而不会立即关闭的资源，必须要在程序关闭前，进行手动释放；
2. 具有强迫症的程序员。

​ 在代码实现部分的第四种方法能满足第二个条件，但是无法满足第一个条件。好了，接下来，就介绍一种方法，这种方法也是我从网上学习而来的，代码实现如下：

#include <iostream>#include <thread>#include <vector>using namespace std;class Singleton{private:    Singleton(){}    static Singleton* m_pInstance;    // **重点在这**    class GC // 类似Java的垃圾回收器    {    public:        ~GC(){            // 可以在这里释放所有想要释放的资源，比如数据库连接，文件句柄……等等。            if(m_pInstance != NULL){                cout << "GC: will delete resource !" << endl;                delete m_pInstance;                m_pInstance = NULL;            }        };    };    // 内部类的实例    static GC gc;public:    static Singleton* getInstance(){        return m_pInstance;    }};Singleton* Singleton::m_pInstance = new Singleton();Singleton::GC Singleton::gc;void print_instance(){    Singleton* obj1 = Singleton::getInstance();    cout << obj1 << endl;}// 多线程获取单例void Test1(){    // 预期输出：相同的地址，中间可能缺失换行符，属于正常现象    vector<thread> threads;    for(int i = 0; i < 10; ++i){        threads.push_back(thread(print_instance));    }    for(auto& thr : threads){        thr.join();    }}// 单线程获取单例void Test2(){    // 预期输出：相同的地址，换行符分隔    print_instance();    print_instance();    print_instance();    print_instance();    print_instance();}int main(){    cout << "Test1 begins: " << endl;    cout << "预期输出：相同的地址，中间可以缺失换行（每次运行结果的排列格式通常不一样）。" << endl;    Test1();    cout << "Test2 begins: " << endl;    cout << "预期输出：相同的地址，每行一个。" << endl;    Test2();    return 0;}

​ 在程序运行结束时，系统会调用Singleton的静态成员GC的析构函数，该析构函数会进行资源的释放，而这种资源的释放方式是在程序员“不知道”的情况下进行的，而程序员不用特别的去关心，使用单例模式的代码时，不必关心资源的释放。

​ 那么这种实现方式的原理是什么呢？由于程序在结束的时候，系统会自动析构所有的全局变量，系统也会析构所有类的静态成员变量，因为静态变量和全局变量在内存中，都是存储在静态存储区的，所有静态存储区的变量都会被释放。

​ 由于此处使用了一个内部GC类，而该类的作用就是用来释放资源，而这种使用技巧在C++中是广泛存在的，参见《C++中的RAII机制》。

运行结果：