劍指offer筆記面試題2----實現Singleton模式
題目：設計一個類，咱們只能生成該類的一個實例。
解法一：單線程解法
//缺點：多線程狀況下，每一個線程可能建立出不一樣的的Singleton實例
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton* getInstance()
{
if(m_pInstance == nullptr)
{
m_pInstance = new Singleton();
}
return m_pInstance;
}
static void destroyInstance()
{
if(m_pInstance != nullptr)
{
delete m_pInstance;
m_pInstance = nullptr;
}
}
private:
Singleton(){}
static Singleton* m_pInstance;
};
Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr;
// 單線程獲取屢次實例
void Test1(){
// 預期結果：兩個實例指針指向的地址相同
Singleton* singletonObj = Singleton::getInstance();
cout << singletonObj << endl;
Singleton* singletonObj2 = Singleton::getInstance();
cout << singletonObj2 << endl;
Singleton::destroyInstance();
}
int main(){
Test1();
return 0;
}
解法二：多線程+加鎖
/*解法一是最簡單，也是最廣泛的實現方式。可是，這種實現方式有不少問題，好比沒有考慮多線程的問題，在多線程的狀況下，就可能會建立多個Singleton實例，如下是改善的版本。*/
#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 == nullptr){
m_mutex.lock(); // 使用C++11中的多線程庫
if(m_pInstance == nullptr){ // 兩次判斷是否爲NULL的雙重檢查
m_pInstance = new Singleton();
}
m_mutex.unlock();
}
return m_pInstance;
}
static void destroyInstance(){
if(m_pInstance != nullptr){
delete m_pInstance;
m_pInstance = nullptr;
}
}
};
Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr;
mutex Singleton::m_mutex;
void print_singleton_instance(){
Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();
cout << singletonObj << endl;
}
// 多個進程得到單例
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;
}
/*此方法中進行了兩次m_pInstance == nullptr的判斷，使用了所謂的「雙檢鎖」機制。由於進行一次加鎖和解鎖是須要付出對應的代價的，而進行兩次判斷，就能夠避免屢次加鎖與解鎖操做，只在m_pInstance不爲nullptr時才須要加鎖，同時也保證了線程安全。可是，若是進行大數據的操做，加鎖操做將成爲一個性能的瓶頸，爲此，一種新的單例模式的實現也就出現了。*/
解法三：const static型實例
#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！若該函數的返回值改成const static型，則此處沒必要進行const_cast靜態轉換
// 因此該函數能夠改成：
/*
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實例
void print_singleton_instance(){
Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();
cout << singletonObj << endl;
}
// 多個進程得到單例
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;
}
/*由於靜態初始化在程序開始時，也就是進入主函數以前，由主線程以單線程方式完成了初始化，因此靜態初始化實例保證了線程安全性。在性能要求比較高時，就可使用這種方式，從而避免頻繁的加鎖和解鎖形成的資源浪費。因爲上述三種實現，都要考慮到實例的銷燬，關於實例的銷燬，待會在分析。*
解法四：在get函數中建立並返回static臨時實例的引用
//PS：該方法不能認爲控制單例實例的銷燬
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
using namespace std;
class Singleton
{
private:
Singleton(){}
public:
static Singleton* getInstance(){
static Singleton m_pInstance; // 注意，聲明在該函數內
return &m_pInstance;
}
};
void print_singleton_instance(){
Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();
cout << singletonObj << endl;
}
// 多個進程得到單例
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();
}
}
// 單個進程得到屢次實例
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;
}
解法五：最終方案，最簡&顯式控制實例銷燬
/*在實際項目中，特別是客戶端開發，實際上是不在意這個實例的銷燬的。由於，全局就這麼一個變量，全局都要用，它的生命週期伴隨着軟件的生命週期，軟件結束了，他就天然而然結束了，由於一個程序關閉以後，它會釋放它佔用的內存資源的，因此，也就沒有所謂的內存泄漏了。
可是，有如下狀況，是必需要進行實例銷燬的：
在類中，有一些文件鎖了，文件句柄，數據庫鏈接等等，這些隨着程序的關閉而不會當即關閉的資源，必需要在程序關閉前，進行手動釋放。*/
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
using namespace std;
class Singleton
{
private:
Singleton(){}
static Singleton* m_pInstance;
// **重點在這**
class GC // 相似Java的垃圾回收器
{
public:
~GC(){
// 能夠在這裏釋放全部想要釋放的資源，好比數據庫鏈接，文件句柄……等等。
if(m_pInstance != NULL){
cout << "GC: will delete resource !" << endl;
delete m_pInstance;
m_pInstance = NULL;
}
};
};
// 內部類的實例
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;
}
// 多線程獲取單例
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();
}
}
// 單線程獲取單例
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，中間能夠缺失換行（每次運行結果的排列格式一般不同）。" << endl;
Test1();
cout << "Test2 begins: " << endl;
cout << "預期輸出：相同的地址，每行一個。" << endl;
Test2();
return 0;
}
/*在程序運行結束時，系統會調用Singleton的靜態成員GC的析構函數，該析構函數會進行資源的釋放，而這種資源的釋放方式是在程序員「不知道」的狀況下進行的，而程序員不用特別的去關心，使用單例模式的代碼時，沒必要關心資源的釋放。
那麼這種實現方式的原理是什麼呢？因爲程序在結束的時候，系統會自動析構全部的全局變量，系統也會析構全部類的靜態成員變量，由於靜態變量和全局變量在內存中，都是存儲在靜態存儲區的，全部靜態存儲區的變量都會被釋放。因爲此處是用了一個內部GC類，而該類的做用就是用來釋放資源。這種技巧在C++中是普遍存在的，參見《C++中的RAII機制》。*/
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