【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?

单例模式是最简单的设计模式,就让我像玩简单的游戏同样写下去吧。程序员

v1: 简单模式设计模式

和这个版本有过一面之缘,但不敢苟同。安全

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

问题:什么时候析构不明确;最重要的是调用屡次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。多线程

 

v2: 通常模式函数

典型写法学习

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。测试

Java中因为容许在调用构造函数以前先初始化变量,所以有这样一种写法:spa

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,而且因为初始化这个语句是JVM作的,所以人工的同步也省了(不带这么欺负C++程序员的 = =)。线程

 

v3: 增强模式设计

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,静态类随着其余静态变量消亡,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:无论ins是否是空,都要加锁,代价高

 

v5: 再接再励模式

当ins不为空时,反正getIns函数无论读写,直接返回就行了,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;
    }

天然,getIns加了锁,析构的时候也一样要加锁。继续学习,再接再励!

 

v6:虎牢关模式

实际上,只有在第一次建立单例的时候须要得到锁。既然能够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的构造函数改为了public。由于在系统中没有Singleton实例时,Singleton的static成员也是不会被建立的,所以需将构造函数改为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好了咱们所需的单例对象指针,这一过程不是线程来干的,所以这样的new操做是安全的。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,所以也是线程安全的,そして,至于pthread_mutex? WTF。而因为无论存在多少Singleton对象,每次getInstance必然获取到的是同一个instance。

 

v7:  终极模式

等等,全部“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,全部须要限制实例个数的类均可复用之?这样,当系统中须要多个不一样类的单例对象时,能够节约许多代码。固然能够作到,用模板就能够:

 

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;

    固然很显然,使用了模板的话,就须要一些约定俗成的东西了,例如在实例化的时候须要一个不带参数的构造函数T()。在使用时,对于用Singleton<T>::getInstance函数返回获得的对象指针,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 0; }

   以上测试代码的结果为0x........ 1 1.  

 

   ちょっと待って!!还不够!以上代码仍是有问题的!注意此时咱们要限制对象个数的不是Singleton对象了,而是T对象。所以设计目标是:无论申明多少个Singleton对象都是合法的,而无论申明了多少个Singleton对象,调用getInstance都只会获得一个T对象。

    再看上面的代码,若是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,就会维护惟一的一个static变量。但是上面的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!!这样一来轻则致使内存泄漏,重则致使系统运行出错——若是先申明了一个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,只须要在new的时候和delete的时候稍稍注意一下便可,为了防止new两次,加上if语句;为了防止delete两次(固然在其余场合也同样),养成delete以后就将指针赋为空,以避免指针在其余地方被误引用。

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,只要在起子线程以前声明一个Singleton对象,那么无论后面是main线程仍是子线程声明了其余的Singleton对象,T对象都不会出现第二个。

 

反思:

1  为何Java用内部类维护单例?Java这么作是为了在不写synchronized关键字(减小锁的代价)的状况下,采用延时加载的方式实现单例。怎么作到不用锁而作到线程安全呢?在Java中,内部类都只会加载一次,所以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。为何是延时加载呢?只有getInstance()用到了内部类的时候,才会加载内部类。

2  为何C++写法和Java延时加载且线程安全的单例写法不同呢?C++是不会加载内部类的,只有当有对象须要实例化时,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。若是像Java同样只是定义一个内部类而不去实例化它,是不行的。所以按照上面的写法,使用该单例模板类必须先定义一个Singleton对象,这时候因为内部类做为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,因此不会有两个pinstance,那么只要再内部类的构造中防止new出两个T对象,就能够保证进程中有惟一的pinstance指向惟一的T。

 

to be continue

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