C++从静态类型到单例模式

详细论述C++语言中静态类型和单例模式，以及为什么会用到这个技术。

目录

• 1. 概述
• 2. 详论
  • 2.1. 静态类型
    • 2.1.1. 静态方法成员
    • 2.1.2. 静态数据成员
  • 2.2. 单例模式
    • 2.2.1. 实现
    • 2.2.2. 问题
• 3. 参考

1. 概述

很多的知识，学习的时候理解其实并不是很深，甚至觉得是是不太必要的；而到了实际使用中遇到了，才有了比较深刻的认识。

2. 详论 2.1. 静态类型 2.1.1. 静态方法成员

比如说类的静态成员函数。从学习中我们可以知道，类的静态成员表示这个类成员直接属于类本身；无论实例化这个类对象多少次，静态成员都只是一份相同的副本。那么什么时候去使用这个特性呢？一个很简单的例子，假设我们实现了很多函数：

void FunA() {}

void FunB() {}

void FunC() {}

这些函数如果具有相关性，都是某个类型的工具函数，那么我们可以将其封装成一个工具类，并将其方法成员都定义成静态的：

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

  static void FunB() {}

  static void FunC() {}
};

这样做的好处很多：

1. 体现了面向对象的思想。并且，这些方法在类中本来就只需要一份就可以了，节省了程序内存。
2. 避免在全局作用域定义函数。一般的编程认为，定义在全局作用域的变量或者方法是不太好的。
3. 方便使用：只用记住Utils这个类的名字，就可以在IDE输入提示的帮助下快熟输入想要的函数。

2.1.2. 静态数据成员

一个顺理成章的问题就是，既然静态方法成员这么好用，那么我们使用静态数据成员也挺好的吧？一般情况下确实如此，比如我们给这个工具类定义一个静态数据成员pai：

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

  static void FunB() {}

  static void FunC() {}

  static double pai;
};

double Utils::pai = 3.1415926;

但是有一个问题在于，简单的数据成员能够通过赋值来初始化，如果是一个比较复杂的数据成员呢？一个例子就是std::map容器数据成员，需要经过多次插入操作来初始化。这个时候只是通过赋值就很难实现了。

不仅如此，使用类的静态数据成员还会遇到一个相互依赖的问题，如参考文献2中所述。由于静态变量的初始化顺序是不定的，很可能会导致静态变量A初始化需要静态变量B，但是静态变量B却没有完成初始化，从而导致出错的问题。

2.2. 单例模式 2.2.1. 实现

C++并没有静态类和静态构造函数的概念。在参考文献1中，论述了一些用C++去实现静态构造函数，从而更加合理的去初始化静态数据成员的办法。其中一个实现是：我们需要的类按照正常的非静态成员类去设计，但是我们可以把这个类作为另一个包装类的静态成员变量，这样就能完美实现静态构造函数。

正是这个实现给了我灵感：我们想要的不是访问类的静态成员变量，而是单例模式。不想像C一样使用全局函数或者全局变量，又不想每次都去实例化一个对象，那么我们需要的是单例模式。参考文献3中给出了单例模式的最佳实践：

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;
}

这段代码的说明如下：

1. 构造函数和析构函数都存在，无论多复杂的成员，都可以对数据成员初始化和释放。
2. 构造函数时私有的，所以无法直接声明和定义。
3. 拷贝构造函数和赋值构造函数都被删除，因此无法进行拷贝和赋值。
4. 只能通过专门的实例化函数get_instance()进行调用。

在实例化函数get_instance()内部，实例化了一个自身的局部的静态类。静态局部变量始终存放在内存的全局数据区，只在第一次初始化，从第二次开始，它的值不会变化，是第一次调用后的结果值。并且最后，返回的是这个静态局部变量的引用。

2.2.2. 问题

无论从哪方面看，上述的单例实现，都符合单例的设计模式：全局只提供唯一一个类的实例,在任何位置都可以通过接口获取到那个唯一实例，无法拷贝也无法赋值。但是也有几个问题值得讨论。

第一个问题是，在多线程的环境下，初始化是否会造成冲突或者生成了两份实例？关于这一点不用担心，从C++11标准开始，局部静态变量的初始化是线程安全的。

第二，在参考文献4中讨论了这样一个问题：C++单例模式跨DLL是不是就是会出问题？静态变量是单个编译单元的静态变量，如果动态库和可执行文件都引用了get_instance()的实现，那么动态库和可执行文件会分别保有一份自己的实例。解决方法是要么将get_instance()放入到cpp中，要么使用DLL的模块导入导出接口的规则，也就是dllexport和dllimport。

第三，单例模式还有基于模块的实现，不过我觉得模板的实现太复杂，第二个问题就是使用模板导致的，这里就不讨论了。

3. 参考

1. C++静态构造函数
2. 解决静态全局变量初始化的相互依赖问题
3. C++ 单例模式总结与剖析
4. C++单例模式跨DLL是不是就是会出问题?