[c++] 单例模式 + cyberrt TimingWheel 单例分析

单例模式要求一个类在一个进程中只能创建一个对象。比如 cyberrt 中的 TimingWheel 类就是单例模式，这个类管理着一个进程内的所有定时器，只需要一个对象就可以。

单例模式的实现有两种方式，懒汉式和饿汉式。懒汉式，当第一次使用的时候才会真正创建这个对象；饿汉式，不管会不会用到这个对象，在进程启动的时候都会创建这个对象，如果一直不使用，那么就会造成资源浪费。饿汉式的缺点是可能造成资源浪费，但是对性能友好，因为在进程启动的时候就直接创建了，需要使用的时候可以直接拿来使用；懒汉式反之。

在工作中一般使用懒汉式。

1 懒汉式

懒汉式示例代码如下，在如下代码中实现了自动回收的机制，通过内部的类 Recycler 来完成。

#include <iostream>
#include <mutex>class Test {
public:static Test *GetInstance() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {instance = new Test();return instance;}return instance;};Test(const Test &) = delete;Test &operator=(const Test &) = delete;~Test() {std::cout << "~Test()" << std::endl;};class Recycler {public:~Recycler() {if (Test::instance) {delete Test::instance;} else {std::cout << "no need to recycle" << std::endl;}}};static Recycler recycler;void Do() {std::cout << "Do()" << std::endl;}private:static Test *instance;static std::mutex mtx;Test() {std::cout << "Test()" << std::endl;};
};Test *Test::instance = nullptr;
std::mutex Test::mtx;
Test::Recycler recycler;void TestDo(Test test) {test.Do();
}int main() {Test *test = Test::GetInstance();test->Do();return 0;
}

特点：

（1）第一次使用对象的时候才会创建，懒加载模式。懒加载思想很常见，比如 linux 中用户态的内存管理，就是典型的懒加载。

（2）在 GetInstance() 需要加锁，如果多线程频繁调用，会影响性能。个人认为这个只是理论上的缺点，真正使用中，单例模式很少有多线程频繁调用的情况。

注意点：

（1）在 GetInstance() 中需要加锁。

（2）如下两个静态成员变量需要在类的外部初始化

类的静态变量需要在类外部初始化，这是静态变量和非静态变量的明显区别。

  static Test *instance;
  static std::mutex mtx;

（3）拷贝构造函数和赋值运算符需要禁用

如果不禁用，通过拷贝构造函数和赋值运算符可以生成新的对象，就不能保证单例了。

2 饿汉式

不管将来用不用，这个对象都会创建好。

#include <iostream>
#include <mutex>class Test {
public:static Test *GetInstance() {return instance;};Test(const Test &) = delete;Test &operator=(const Test &) = delete;~Test() {std::cout << "~Test()" << std::endl;};class Recycler {public:~Recycler() {if (Test::instance) {delete Test::instance;} else {std::cout << "no need to recycle" << std::endl;}}};static Recycler recycler;void Do() {std::cout << "Do()" << std::endl;}private:static Test *instance;Test() {std::cout << "Test()" << std::endl;};
};Test *Test::instance = new Test();
Test::Recycler recycler;char *p = (char *)malloc(1024);int main() {printf("main start\n");Test *test = Test::GetInstance();test->Do();printf("p: %p\n", p);p[0] = 1;return 0;
}

题外话：

从上边的代码实现中可以看出来，在 c++ 中，在函数外部是可以调用 new 来创建对象的，这种使用方式是自己很少使用的。

并且在函数外部也可以是有 malloc() 来申请内存。

但是在 c 中，在函数外部申请内存的话，如下代码所示，编译会报错。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>const char *p = (char *)malloc(1024);
int main() {printf("p: %p\n", p);p[0] = 1;return 0;
}

3 cyberrt 中 TimingWheel 单例实现

cyberrt 中的类 TimingWheel 使用了单例模式。TimingWheel 是一个进程内所有定时器的底层管理者。cyberrt 中实现单例的方式封装在了一个宏里边，这个宏是 DECLARE_SINGLETON，定义如下，实现主要有以下几点。

（1）使用 std::call_once 来实现，保证了原子性

（2）禁用了拷贝构造函数和赋值构造函数

#ifndef DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN
#define DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(classname) \classname(const classname &) = delete;    \classname &operator=(const classname &) = delete;
#endif#ifndef DECLARE_SINGLETON
#define DECLARE_SINGLETON(classname)                                        \public:                                                                    \static classname *instance(bool create_if_needed = true) {                \static classname *inst = nullptr;                                       \if (!inst && create_if_needed) {                                        \static std::once_flag flag;                                           \std::call_once(flag, [&] { inst = new (std::nothrow) classname(); }); \}                                                                       \return inst;                                                            \}                                                                         \\static void clean_up() {                                                  \auto inst = instance(false);                                            \if (inst != nullptr) {                                                  \call_shut_down(inst);                                                 \}                                                                       \}                                                                         \\private:                                                                   \classname();                                                              \DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(classname)
#endif