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剑指offer 面试题2 Singleton模式 C++实现

2016-06-25

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:

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 
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 
#include 
#include 
#include 
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 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 
#include 
#include 
using namespace std;

class Singleton
{
private:
    Singleton(){}
    static const Singleton* m_pInstance;
public:
    static Singleton* getInstance(){

        return const_cast(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 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 
#include 
#include 
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 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:

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;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 
#include 
#include 
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 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》

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