C++從靜態型別到單例模式

charlee44發表於2022-05-25
C++型別單例模式

目錄

1. 概述

很多的知識，學習的時候理解其實並不是很深，甚至覺得是是不太必要的；而到了實際使用中遇到了，才有了比較深刻的認識。

2. 詳論

2.1. 靜態型別

2.1.1. 靜態方法成員

比如說類的靜態成員函式。從學習中我們可以知道，類的靜態成員表示這個類成員直接屬於類本身；無論例項化這個類物件多少次，靜態成員都只是一份相同的副本。那麼什麼時候去使用這個特性呢？一個很簡單的例子，假設我們實現了很多函式：

void FunA() {}

void FunB() {}

void FunC() {}

這些函式如果具有相關性，都是某個型別的工具函式，那麼我們可以將其封裝成一個工具類，並將其方法成員都定義成靜態的：

class Utils {
public:
  static void FunA() {}

  static void FunB() {}

  static void FunC() {}
};

這樣做的好處很多：

  1. 體現了物件導向的思想。並且，這些方法在類中本來就只需要一份就可以了，節省了程式記憶體。
  2. 避免在全域性作用域定義函式。一般的程式設計認為，定義在全域性作用域的變數或者方法是不太好的。
  3. 方便使用：只用記住Utils這個類的名字，就可以在IDE輸入提示的幫助下快熟輸入想要的函式。

2.1.2. 靜態資料成員

一個順理成章的問題就是，既然靜態方法成員這麼好用，那麼我們使用靜態資料成員也挺好的吧？一般情況下確實如此，比如我們給這個工具類定義一個靜態資料成員pai：

class Utils {
public:
  static void FunA() {}

  static void FunB() {}

  static void FunC() {}

  static double pai;
};

double Utils::pai = 3.1415926;

但是有一個問題在於，簡單的資料成員能夠通過賦值來初始化，如果是一個比較複雜的資料成員呢？一個例子就是std::map容器資料成員，需要經過多次插入操作來初始化。這個時候只是通過賦值就很難實現了。

不僅如此，使用類的靜態資料成員還會遇到一個相互依賴的問題，如參考文獻2中所述。由於靜態變數的初始化順序是不定的，很可能會導致靜態變數A初始化需要靜態變數B，但是靜態變數B卻沒有完成初始化，從而導致出錯的問題。

2.2. 單例模式

2.2.1. 實現

C++並沒有靜態類和靜態建構函式的概念。在參考文獻1中，論述了一些用C++去實現靜態建構函式，從而更加合理的去初始化靜態資料成員的辦法。其中一個實現是：我們需要的類按照正常的非靜態成員類去設計，但是我們可以把這個類作為另一個包裝類的靜態成員變數，這樣就能完美實現靜態建構函式。

正是這個實現給了我靈感：我們想要的不是訪問類的靜態成員變數，而是單例模式。不想像C一樣使用全域性函式或者全域性變數，又不想每次都去例項化一個物件，那麼我們需要的是單例模式。參考文獻3中給出了單例模式的最佳實踐：

class Singleton {
 public:
  ~Singleton() { std::cout << "destructor called!" << std::endl; }
  Singleton(const Singleton&) = delete;
  Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
  static Singleton& get_instance() {
    static Singleton instance;
    return instance;
  }

 private:
  Singleton() { std::cout << "constructor called!" << std::endl; }
};

int main() {

  Singleton& instance_1 = Singleton::get_instance();
  Singleton& instance_2 = Singleton::get_instance();

  return 0;
}

這段程式碼的說明如下：

  1. 建構函式和解構函式都存在，無論多複雜的成員，都可以對資料成員初始化和釋放。
  2. 建構函式時私有的，所以無法直接宣告和定義。
  3. 拷貝建構函式和賦值建構函式都被刪除，因此無法進行拷貝和賦值。
  4. 只能通過專門的例項化函式get_instance()進行呼叫。

在例項化函式get_instance()內部，例項化了一個自身的區域性的靜態類。靜態區域性變數始終存放在記憶體的全域性資料區，只在第一次初始化，從第二次開始，它的值不會變化，是第一次呼叫後的結果值。並且最後，返回的是這個靜態區域性變數的引用。

2.2.2. 問題

無論從哪方面看，上述的單例實現，都符合單例的設計模式：全域性只提供唯一一個類的例項,在任何位置都可以通過介面獲取到那個唯一例項，無法拷貝也無法賦值。但是也有幾個問題值得討論。

第一個問題是，在多執行緒的環境下，初始化是否會造成衝突或者生成了兩份例項？關於這一點不用擔心，從C++11標準開始，區域性靜態變數的初始化是執行緒安全的。

第二，在參考文獻4中討論了這樣一個問題：C++單例模式跨DLL是不是就是會出問題？靜態變數是單個編譯單元的靜態變數，如果動態庫和可執行檔案都引用了get_instance()的實現，那麼動態庫和可執行檔案會分別保有一份自己的例項。解決方法是要麼將get_instance()放入到cpp中，要麼使用DLL的模組匯入匯出介面的規則，也就是dllexport和dllimport。

第三，單例模式還有基於模組的實現，不過我覺得模板的實現太複雜，第二個問題就是使用模板導致的，這裡就不討論了。

3. 參考

  1. C++靜態建構函式
  2. 解決靜態全域性變數初始化的相互依賴問題
  3. C++ 單例模式總結與剖析
  4. C++單例模式跨DLL是不是就是會出問題?

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