剑指offer笔记面试题2----实现Singleton模式

题目：设计一个类，我们只能生成该类的一个实例。

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的Singleton实例
#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;

// 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;
}

解法二：多线程+加锁

/*解法一是最简单，也是最普遍的实现方式。但是，这种实现方式有很多问题，比如没有考虑多线程的问题，在多线程的情况下，就可能会创建多个Singleton实例，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中的多线程库
            if(m_pInstance == nullptr){ // 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 != 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<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;
}
/*此方法中进行了两次m_pInstance == nullptr的判断，使用了所谓的“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，只在m_pInstance不为nullptr时才需要加锁，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。*/

解法三：const static型实例

#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<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。*

解法四：在get函数中创建并返回static临时实例的引用

//PS：该方法不能认为控制单例实例的销毁
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
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<thread> 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;
}

解法五：最终方案，最简&显式控制实例销毁

/*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，他就自然而然结束了，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。*/
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
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<thread> 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。由于此处是用了一个内部GC类，而该类的作用就是用来释放资源。这种技巧在C++中是广泛存在的，参见《C++中的RAII机制》。*/