CoderAldrich的專欄
問題描述
現在,不管開發一個多大的系統(至少我現在的部門是這樣的),都會帶一個日誌功能;在實際開發過程中,會專門有一個日誌模組,負責寫日誌,由於在系統的任何地方,我們都有可能要呼叫日誌模組中的函式,進行寫日誌。那麼,如何構造一個日誌模組的例項呢?難道,每次new一個日誌模組例項,寫完日誌,再delete,不要告訴我你是這麼幹的。在C++中,可以構造一個日誌模組的全域性變數,那麼在任何地方就都可以用了,是的,不錯。但是,我所在的開發部門的C++編碼規範是參照Google的編碼規範的。
全域性變數在專案中是能不用就不用的,它是一個定時炸彈,是一個不安全隱患,特別是在多執行緒程式中,會有很多的不可預測性;同時,使用全域性變數,也不符合面向物件的封裝原則,所以,在純面向物件的語言Java和C#中,就沒有純粹的全域性變數。那麼,如何完美的解決這個日誌問題,就需要引入設計模式中的單例模式。
單例模式
何為單例模式,在GOF的《設計模式:可複用面向物件軟體的基礎》中是這樣說的:保證一個類只有一個例項,並提供一個訪問它的全域性訪問點。首先,需要保證一個類只有一個例項;在類中,要構造一個例項,就必須呼叫類的建構函式,如此,為了防止在外部呼叫類的建構函式而構造例項,需要將建構函式的訪問許可權標記為protected或private;最後,需要提供要給全域性訪問點,就需要在類中定義一個static函式,返回在類內部唯一構造的例項。意思很明白,使用UML類圖表示如下。
UML類圖
程式碼實現
單例模式,單從UML類圖上來說,就一個類,沒有錯綜複雜的關係。但是,在實際專案中,使用程式碼實現時,還是需要考慮很多方面的。
實現一:
#include <iostream> using namespace std; class Singleton { public: static Singleton *GetInstance() { if (m_Instance == NULL ) { m_Instance = new Singleton (); } return m_Instance; } static void DestoryInstance() { if (m_Instance != NULL ) { delete m_Instance; m_Instance = NULL ; } } // This is just a operation example int GetTest() { return m_Test; } private: Singleton(){ m_Test = 10; } static Singleton *m_Instance; int m_Test; }; Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL; int main(int argc , char *argv []) { Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance(); cout<<singletonObj->GetTest()<<endl; Singleton ::DestoryInstance(); return 0; }
這是最簡單,也是最普遍的實現方式,也是現在網上各個部落格中記述的實現方式,但是,這種實現方式,有很多問題,比如:沒有考慮到多執行緒的問題,在多執行緒的情況下,就可能建立多個Singleton例項,以下版本是改善的版本。
實現二:
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
if (m_Instance == NULL )
{
Lock(); // C++沒有直接的Lock操作,請使用其它庫的Lock,比如Boost,此處僅為了說明
if (m_Instance == NULL )
{
m_Instance = new Singleton ();
}
UnLock(); // C++沒有直接的Lock操作,請使用其它庫的Lock,比如Boost,此處僅為了說明
}
return m_Instance;
}
static void DestoryInstance()
{
if (m_Instance != NULL )
{
delete m_Instance;
m_Instance = NULL ;
}
}
int GetTest()
{
return m_Test;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 0; }
static Singleton *m_Instance;
int m_Test;
};
Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
Singleton ::DestoryInstance();
return 0;
}
此處進行了兩次m_Instance == NULL的判斷,是借鑑了Java的單例模式實現時,使用的所謂的“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,同時也保證了執行緒安全。但是,這種實現方法在平時的專案開發中用的很好,也沒有什麼問題?但是,如果進行大資料的操作,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。
實現三:
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
return const_cast <Singleton *>(m_Instance);
}
static void DestoryInstance()
{
if (m_Instance != NULL )
{
delete m_Instance;
m_Instance = NULL ;
}
}
int GetTest()
{
return m_Test;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 10; }
static const Singleton *m_Instance;
int m_Test;
};
const Singleton *Singleton ::m_Instance = new Singleton();
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
Singleton ::DestoryInstance();
}
因為靜態初始化在程式開始時,也就是進入主函式之前,由主執行緒以單執行緒方式完成了初始化,所以靜態初始化例項保證了執行緒安全性。在效能要求比較高時,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,都要考慮到例項的銷燬,關於例項的銷燬,待會在分析。由此,就出現了第四種實現方式:
實現四:
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
static Singleton m_Instance;
return &m_Instance;
}
int GetTest()
{
return m_Test++;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 10; };
int m_Test;
};
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
}
以上就是四種主流的單例模式的實現方式,如果大家還有什麼好的實現方式,希望大家能推薦給我。謝謝了。
例項銷燬
在上述的四種方法中,除了第四種沒有使用new操作符例項化物件以外,其餘三種都使用了;我們一般的程式設計觀念是,new操作是需要和delete操作進行匹配的;是的,這種觀念是正確的。在上述的實現中,是添加了一個DestoryInstance的static函式,這也是最簡單,最普通的處理方法了;但是,很多時候,我們是很容易忘記呼叫DestoryInstance函式,就像你忘記了呼叫delete操作一樣。由於怕忘記delete操作,所以就有了智慧指標;那麼,在單例模型中,沒有“智慧單例”,該怎麼辦?怎麼辦?
那我先從實際的專案中說起吧,在實際專案中,特別是客戶端開發,其實是不在乎這個例項的銷燬的。因為,全域性就這麼一個變數,全域性都要用,它的生命週期伴隨著軟體的生命週期,軟體結束了,它也就自然而然的結束了,因為一個程式關閉之後,它會釋放它佔用的記憶體資源的,所以,也就沒有所謂的記憶體洩漏了。但是,有以下情況,是必須需要進行例項銷燬的:
- 在類中,有一些檔案鎖了,檔案控制代碼,資料庫連線等等,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;
- 具有強迫症的程式設計師。
以上,就是我總結的兩點。
雖然,在程式碼實現部分的第四種方法能滿足第二個條件,但是無法滿足第一個條件。好了,接下來,就介紹一種方法,這種方法也是我從網上學習而來的,程式碼實現如下:
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
return m_Instance;
}
int GetTest()
{
return m_Test;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 10; }
static Singleton *m_Instance;
int m_Test;
// This is important
class GC
{
public :
~GC()
{
// We can destory all the resouce here, eg:db connector, file handle and so on
if (m_Instance != NULL )
{
cout<< "Here is the test" <<endl;
delete m_Instance;
m_Instance = NULL ;
}
}
};
static GC gc;
};
Singleton *Singleton ::m_Instance = new Singleton();
Singleton ::GC Singleton ::gc;
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
return 0;
}
在程式執行結束時,系統會呼叫Singleton的靜態成員GC的解構函式,該解構函式會進行資源的釋放,而這種資源的釋放方式是在程式設計師“不知道”的情況下進行的,而程式設計師不用特別的去關心,使用單例模式的程式碼時,不必關心資源的釋放。那麼這種實現方式的原理是什麼呢?我剖析問題時,喜歡剖析到問題的根上去,絕不糊塗的停留在表面。由於程式在結束的時候,系統會自動析構所有的全域性變數,實際上,系統也會析構所有類的靜態成員變數,就像這些靜態變數是全域性變數一樣。我們知道,靜態變數和全域性變數在記憶體中,都是儲存在靜態儲存區的,所以在析構時,是同等對待的。
由於此處使用了一個內部GC類,而該類的作用就是用來釋放資源,而這種使用技巧在C++中是廣泛存在的。
模式擴充套件
在實際專案中,一個模式不會像我們這裡的程式碼那樣簡單,只有在熟練了各種設計模式的特點,才能更好的在實際專案中進行運用。單例模式和工廠模式在實際專案中經常見到,兩種模式的組合,在專案中也是很常見的。所以,有必要總結一下兩種模式的結合使用。
一種產品,在一個工廠中進行生產,這是一個工廠模式的描述;而只需要一個工廠,就可以生產一種產品,這是一個單例模式的描述。所以,在實際中,一種產品,我們只需要一個工廠,此時,就需要工廠模式和單例模式的結合設計。由於單例模式提供對外一個全域性的訪問點,所以,我們就需要使用簡單工廠模式中那樣的方法,定義一個標識,用來標識要建立的是哪一個單件。由於模擬程式碼較多,在文章最後,提供下載連結。
總結
為了寫這篇文章,自己調查了很多方面的資料,由於網上的資料在各方面都有很多的瑕疵,質量參次不齊,對我也造成了一定的誤導。而這篇文章,有我自己的理解,如有錯誤,請大家指正。
由於該文對設計模式的總結,我認為比網上80%的都全面,希望對大家有用。在實際的開發中,並不會用到單例模式的這麼多種,每一種設計模式,都應該在最適合的場合下使用,在日後的專案中,應做到有地放矢,而不能為了使用設計模式而使用設計模式。