劍指offer 面試題2 Singleton模式 C++實現
題目：實現Singleton模式
以下內容是我在看《劍指offer》的面試題2時，遇到的問題，因為書中使用C#實現，所以想用C++重新實現一下，Test方法不夠全，後續還要完善。C++實現過程主要參考：C++設計模式——單例模式。
程式碼中的註釋一般是我的筆記，或一些發現。
PS: 感謝勤勞的慵懶君~~ @亦餘心之所向兮
1 解法一：單執行緒解法
缺點：多執行緒情況下，每個執行緒可能創建出不同的Singleton例項
// 劍指offer 面試題2 實現Singleton模式
#include <iostream> 2 解法二：多執行緒+加鎖
解法1是最簡單，也是最普遍的實現方式，也是現在網上各個部落格中記述的實現方式，但是，這種實現方式，有很多問題，比如：沒有考慮到多執行緒的問題，在多執行緒的情況下，就可能建立多個Singleton例項，以下版本是改善的版本。
注意：下面的程式碼涉及互斥鎖以及多執行緒測試，使用了C++11的多執行緒庫，std::thread,，std::mutex，請使用支援C++11多執行緒的編譯器，並確認開啟了C++11的編譯選項，具體方法見：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中的多執行緒庫
if(m_pInstance == NULL){ // 兩次判斷是否為NULL的雙重檢查
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; // 所以說直接new 多好啊，可以省去Lock/Unlock的時間
mutex Singleton::m_mutex;
void print_singleton_instance(){
Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();
cout << singletonObj << endl;
}
// 多個程序獲得單例
void Test1(){
// 預期結果，打印出相同的地址，之間可能缺失換行符，也屬正常現象
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;
} 此處進行了兩次m_pInstance == NULL的判斷，是借鑑了Java的單例模式實現時，使用的所謂的“雙檢鎖”機制。因為進行一次加鎖和解鎖是需要付出對應的代價的，而進行兩次判斷，就可以避免多次加鎖與解鎖操作，同時也保證了執行緒安全。但是，如果進行大資料的操作，加鎖操作將成為一個性能的瓶頸；為此，一種新的單例模式的實現也就出現了。
3 解法三：const static 型例項
#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！若該函式的返回值改為const static型，則此處不必進行const_cast靜態轉換
// 所以該函式可以改為：
/*
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只能定義一次，不能再次修改的特性，static繼續保持類內只有一個例項
void print_singleton_instance(){
Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();
cout << singletonObj << endl;
}
// 多個程序獲得單例
void Test1(){
// 預期結果，打印出相同的地址，之間可能缺失換行符，也屬正常現象
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;
} 因為靜態初始化在程式開始時，也就是進入主函式之前，由主執行緒以單執行緒方式完成了初始化，所以靜態初始化例項保證了執行緒安全性。在效能要求比較高時，就可以使用這種方式，從而避免頻繁的加鎖和解鎖造成的資源浪費。由於上述三種實現，都要考慮到例項的銷燬，關於例項的銷燬，待會在分析。
4 解法四：在get函式中建立並返回static臨時例項的引用
PS：該方法不能人為控制單例例項的銷燬
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
using namespace std;
class Singleton
{
private:
Singleton(){}
public:
static Singleton* getInstance(){
static Singleton m_pInstance; // 注意，宣告在該函式內
return &m_pInstance;
}
};
void print_singleton_instance(){
Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();
cout << singletonObj << endl;
}
// 多個程序獲得單例
void Test1(){
// 預期結果，打印出相同的地址，之間可能缺失換行符，也屬正常現象
vector<thread> threads;
for(int i = 0; i < 10; ++i){
threads.push_back(thread(print_singleton_instance));
}
for(auto& thr : threads){
thr.join();
}
}
// 單個程序獲得多次例項
void Test2(){
// 預期結果，打印出相同的地址，之間換行符分隔
print_singleton_instance();
print_singleton_instance();
}
int main(){
cout << "Test1 begins: " << endl;
Test1();
cout << "Test2 begins: " << endl;
Test2();
return 0;
}以上就是四種主流的單例模式的實現方式。
5 解法五：最終方案，最簡&顯式控制例項銷燬
在上述的四種方法中，除了第四種沒有使用new操作符例項化物件以外，其餘三種都使用了；
我們一般的程式設計觀念是，new操作是需要和delete操作進行匹配的；是的，這種觀念是正確的。在上述的實現中，是添加了一個destoryInstance的static函式，這也是最簡單，最普通的處理方法了；但是，很多時候，我們是很容易忘記呼叫destoryInstance函式，就像你忘記了呼叫delete操作一樣。由於怕忘記delete操作，所以就有了智慧指標；那麼，在單例模型中，沒有“智慧單例”，該怎麼辦？怎麼辦？
在實際專案中，特別是客戶端開發，其實是不在乎這個例項的銷燬的。因為，全域性就這麼一個變數，全域性都要用，它的生命週期伴隨著軟體的生命週期，軟體結束了，它也就自然而然的結束了，因為一個程式關閉之後，它會釋放它佔用的記憶體資源的，所以，也就沒有所謂的記憶體洩漏了。
但是，有以下情況，是必須需要進行例項銷燬的：
- 在類中，有一些檔案鎖了，檔案控制代碼，資料庫連線等等，這些隨著程式的關閉而不會立即關閉的資源，必須要在程式關閉前，進行手動釋放；
- 具有強迫症的程式設計師。
在程式碼實現部分的第四種方法能滿足第二個條件，但是無法滿足第一個條件。好了，接下來，就介紹一種方法，這種方法也是我從網上學習而來的，程式碼實現如下：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
using namespace std;
class Singleton
{
private:
Singleton(){}
static Singleton* m_pInstance;
// **重點在這**
class GC // 類似Java的垃圾回收器
{
public:
~GC(){
// 可以在這裡釋放所有想要釋放的資源，比如資料庫連線，檔案控制代碼……等等。
if(m_pInstance != NULL){
cout << "GC: will delete resource !" << endl;
delete m_pInstance;
m_pInstance = NULL;
}
};
};
// 內部類的例項
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;
}
// 多執行緒獲取單例
void Test1(){
// 預期輸出：相同的地址，中間可能缺失換行符，屬於正常現象
vector<thread> threads;
for(int i = 0; i < 10; ++i){
threads.push_back(thread(print_instance));
}
for(auto& thr : threads){
thr.join();
}
}
// 單執行緒獲取單例
void Test2(){
// 預期輸出：相同的地址，換行符分隔
print_instance();
print_instance();
print_instance();
print_instance();
print_instance();
}
int main()
{
cout << "Test1 begins: " << endl;
cout << "預期輸出：相同的地址，中間可以缺失換行（每次執行結果的排列格式通常不一樣）。" << endl;
Test1();
cout << "Test2 begins: " << endl;
cout << "預期輸出：相同的地址，每行一個。" << endl;
Test2();
return 0;
} 在程式執行結束時，系統會呼叫Singleton的靜態成員GC的解構函式，該解構函式會進行資源的釋放，而這種資源的釋放方式是在程式設計師“不知道”的情況下進行的，而程式設計師不用特別的去關心，使用單例模式的程式碼時，不必關心資源的釋放。
那麼這種實現方式的原理是什麼呢？由於程式在結束的時候，系統會自動析構所有的全域性變數，系統也會析構所有類的靜態成員變數，因為靜態變數和全域性變數在記憶體中，都是儲存在靜態儲存區的，所有靜態儲存區的變數都會被釋放。
由於此處使用了一個內部GC類，而該類的作用就是用來釋放資源，而這種使用技巧在C++中是廣泛存在的，參見《C++中的RAII機制》。
執行結果：
