c++的单例模式及c++11对单例模式的优化

单例模式

单例模式，可以说设计模式中最常应用的一种模式了，据说也是面试官最喜欢的题目。但是如果没有学过设计模式的人，可能不会想到要去应用单例模式，面对单例模式适用的情况，可能会优先考虑使用全局或者静态变量的方式，这样比较简单，也是没学过设计模式的人所能想到的最简单的方式了。

一般情况下，我们建立的一些类是属于工具性质的，基本不用存储太多的跟自身有关的数据，在这种情况下，每次都去new一个对象，即增加了开销，也使得代码更加臃肿。其实，我们只需要一个实例对象就可以。如果采用全局或者静态变量的方式，会影响封装性，难以保证别的代码不会对全局变量造成影响。

考虑到这些需要，我们将默认的构造函数声明为私有的，这样就不会被外部所new了，甚至可以将析构函数也声明为私有的，这样就只有自己能够删除自己了。在Java和C#这样纯的面向对象的语言中，单例模式非常好实现，直接就可以在静态区初始化instance，然后通过getInstance返回，这种就被称为饿汉式单例类。也有些写法是在getInstance中new instance然后返回，这种就被称为懒汉式单例类，但这涉及到第一次getInstance的一个判断问题。

下面的代码只是表示一下，跟具体哪种语言没有关系。

单线程中：

Singleton* getInstance()
{
    if (instance == NULL)
        instance = new Singleton();
 
    return instance;
}

这样就可以了，保证只取得了一个实例。但是在多线程的环境下却不行了，因为很可能两个线程同时运行到if (instance == NULL)这一句，导致可能会产生两个实例。于是就要在代码中加锁。

Singleton* getInstance()
{
    lock();
    if (instance == NULL)
    {
       instance = new Singleton();
    }
    unlock();

    return instance;
}

但这样写的话，会稍稍映像性能，因为每次判断是否为空都需要被锁定，如果有很多线程的话，就爱会造成大量线程的阻塞。于是出现了双重锁定。

Singleton* getInstance()
{
    if (instance == NULL)
    {
    lock();
        if (instance == NULL)
        {
               instance = new Singleton();
        }
        unlock();
    }

    return instance;
}

这样只够极低的几率下，通过越过了if (instance == NULL)的线程才会有进入锁定临界区的可能性，这种几率还是比较低的，不会阻塞太多的线程，但为了防止一个线程进入临界区创建实例，另外的线程也进去临界区创建实例，又加上了一道防御if (instance == NULL)，这样就确保不会重复创建了。

常用的场景

单例模式常常与工厂模式结合使用，因为工厂只需要创建产品实例就可以了，在多线程的环境下也不会造成任何的冲突，因此只需要一个工厂实例就可以了。

优点

1.减少了时间和空间的开销（new实例的开销）。

2.提高了封装性，使得外部不易改动实例。

缺点

1.懒汉式是以时间换空间的方式。（上面使用的方式）

2.饿汉式是以空间换时间的方式。（下面使用的方式）

#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_


class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance();

private:
    Singleton();
    //把复制构造函数和=操作符也设为私有,防止被复制
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);

    static Singleton* instance;
};

#endif
 

#include "Singleton.h"


Singleton::Singleton(){

}


Singleton::Singleton(const Singleton&){

}


Singleton& Singleton::operator=(const Singleton&){

}


//在此处初始化
Singleton* Singleton::instance = new Singleton();
Singleton* Singleton::getInstance(){
    return instance;
}
 

#include "Singleton.h"
#include <stdio.h>


int main(){
    Singleton* singleton1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* singleton2 = Singleton::getInstance();

    if (singleton1 == singleton2)
        fprintf(stderr,"singleton1 = singleton2
");

    return 0;
}

以上使用的方式存在问题：只能实例化没有参数的类型，其它带参数的类型就不行了。

c++11 为我们提供了解决方案：可变模板参数

　　

template <typename T>
class Singleton
{
public:
template<typename... Args>
　　static T* Instance(Args&&... args)
　　{
        if(m_pInstance==nullptr)
            m_pInstance = new T(std::forward<Args>(args)...);
        return m_pInstance;
    }
　　static T* GetInstance()
    　　{
        　　　　if (m_pInstance == nullptr)
            　　　　　　throw std::logic_error("the instance is not init, please initialize the instance first");
        　　　　return m_pInstance;
    　　}
static void DestroyInstance()
    {
        delete m_pInstance;
        m_pInstance = nullptr;
    }

private:
        Singleton(void);
        virtual ~Singleton(void);
        Singleton(const Singleton&);
        Singleton& operator = (const Singleton&);
private:
    static T* m_pInstance;
};

template <class T> T*  Singleton<T>::m_pInstance = nullptr;

由于原来的接口中，单例对象的初始化和取值都是一个接口，可能会遭到误用，更新之后，讲初始化和取值分为两个接口，单例的用法为：先初始化，后面取值，如果中途销毁单例的话，需要重新取值。如果没有初始化就取值则会抛出一个异常。

Multiton的实现

#include <map>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

template < typename T, typename K = string>
class Multiton
{
public:
    template<typename... Args>
    static std::shared_ptr<T> Instance(const K& key, Args&&... args)
    {
        return GetInstance(key, std::forward<Args>(args)...);
    }

    template<typename... Args>
    static std::shared_ptr<T> Instance(K&& key, Args&&... args)
    {
        return GetInstance(key, std::forward<Args>(args)...);
    }
private:
    template<typename Key, typename... Args>
    static std::shared_ptr<T> GetInstance(Key&& key, Args&&...args)
    {
        std::shared_ptr<T> instance = nullptr;
        auto it = m_map.find(key);
        if (it == m_map.end())
        {
            instance = std::make_shared<T>(std::forward<Args>(args)...);
            m_map.emplace(key, instance);
        }
        else
        {
            instance = it->second;
        }

        return instance;
    }

private:
    Multiton(void);
    virtual ~Multiton(void);
    Multiton(const Multiton&);
    Multiton& operator = (const Multiton&);
private:
    static map<K, std::shared_ptr<T>> m_map;
};

template <typename T, typename K>
map<K, std::shared_ptr<T>> Multiton<T, K>::m_map;