劍指offer筆記面試題2----實現Singleton模式

来源:https://www.cnblogs.com/tangliang39/archive/2019/10/17/11694673.html
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題目：設計一個類，我們只能生成該類的一個實例。 解法一：單線程解法 c++ //缺點：多線程情況下，每個線程可能創建出不同的的Singleton實例 include using namespace std; class Singleton { public: static Singleton get ...


題目：設計一個類，我們只能生成該類的一個實例。

解法一：單線程解法

    //缺點：多線程情況下，每個線程可能創建出不同的的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;
    
    // 單線程獲取多次實例
    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，也是最普遍的實現方式。但是，這種實現方式有很多問題，比如沒有考慮多線程的問題，在多線程的情況下，就可能會創建多個Singleton實例，以下是改善的版本。*/
    #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){ // 兩次判斷是否為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;
    }
    
    // 多個進程獲得單例
    void Test1(){
        // 預期結果，列印出相同的地址，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。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，只在m_pInstance不為nullptr時才需要加鎖，同時也保證了線程安全。但是，如果進行大數據的操作，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。*/

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
            // 註意！若該函數的返回值改為const static型，則此處不必進行const_cast靜態轉換
            // 所以該函數可以改為：
            /*
            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實例
    
    void print_singleton_instance(){
        Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();
        cout << singletonObj << endl;
    }
    
    // 多個進程獲得單例
    void Test1(){
        // 預期結果，列印出相同的地址，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，也就是進入主函數之前，由主線程以單線程方式完成了初始化，所以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，都要考慮到實例的銷毀，關於實例的銷毀，待會在分析。*

解法四：在get函數中創建並返回static臨時實例的引用

    //PS：該方法不能認為控制單例實例的銷毀
    #include <iostream>
    #include <thread>
    #include <vector>
    using namespace std;
    
    class Singleton
    {
    private:
        Singleton(){}
    
    public:
        static Singleton* getInstance(){
            static Singleton m_pInstance; // 註意，聲明在該函數內
            return &m_pInstance;
        }
    };
    
    void print_singleton_instance(){
        Singleton *singletonObj = Singleton::getInstance();
        cout << singletonObj << endl;
    }
    
    // 多個進程獲得單例
    void Test1(){
        // 預期結果，列印出相同的地址，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();
        }
    }
    
    // 單個進程獲得多次實例
    void Test2(){
        // 預期結果，列印出相同的地址，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&顯式控制實例銷毀

    /*在實際項目中，特別是客戶端開發，其實是不在乎這個實例的銷毀的。因為，全局就這麼一個變數，全局都要用，它的生命周期伴隨著軟體的生命周期，軟體結束了，他就自然而然結束了，因為一個程式關閉之後，它會釋放它占用的記憶體資源的，所以，也就沒有所謂的記憶體泄漏了。
    但是，有以下情況，是必須要進行實例銷毀的：
        在類中，有一些文件鎖了，文件句柄，資料庫連接等等，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。*/
    #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，中間可以缺失換行（每次運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式員“不知道”的情況下進行的，而程式員不用特別的去關心，使用單例模式的代碼時，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局變數，系統也會析構所有類的靜態成員變數，因為靜態變數和全局變數在記憶體中，都是存儲在靜態存儲區的，所有靜態存儲區的變數都會被釋放。由於此處是用了一個內部GC類，而該類的作用就是用來釋放資源。這種技巧在C++中是廣泛存在的，參見《C++中的RAII機制》。*/

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