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》。*/