【C++】C++的单例模式、跟踪内存分配的简单方法

二十四、C++的单例模式、跟踪内存分配的简单方法

1、C++的单例模式
本小标题不是讨论C++的语言特性，而是一种设计模式，用于确保一个类在任何情况下都只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。即C++的单例模式。这种模式常用于资源管理，如‌线程池、‌缓存、‌日志对象等，以确保这些关键资源不会被过度使用，同时节省内存。单例模式的核心在于类自身负责创建自己的唯一实例，并提供一个静态方法来获取这个实例，从而防止外部代码创建多个实例。‌

（1）关于单例模式的一点说明：
单例模式说白了就是，我只想有一个对象的单一实例。也就是只想有一个对象的单一的数据集，比如一些专属它的变量，和一些仅针对它的函数。当然这些函数也是仅仅针对这个对象的、特定的数据集的操作。
那么，要实现单例模式，至少有下面三种实现途径：
一是用类来实现。像Java和C#它们天生就是面向对象语言，所以它们强制你使用类。特别是java，所有东西都必须是一个类，你不能在类之外有代码，如果你想要静态的功能，你不需要实例化，但你必须在你的类中创建静态成员。
二是可以用命名空间来实现。C++不像Java和C#那么多规则限制，C++不对静态函数做这些规则限制，所以C++可以不需要写一个类，可以在某个名称空间中写一些函数，甚至在全局名称空间中，它们不属于任何类的类型。其实说白了，类名就是一种命名空间。用类来实现单例模式，从根本上说，就是将类用作命名空间，来调用某些函数。
三是，C++可以有完全全局的变量，或者可以有一个静态变量，它被绑定到一个特定的翻译单元，或者一个特定的CPP文件。也是可以实现单例模式的。

所以要实现单例模式并不一定非得用类来实现，只是用类实现是最简单直观的。

（2）单例设计模式在哪里发挥作用呢？
当我们想要拥有应用于某种全局数据集的功能，而且我们只是想要重复使用时，单例是非常有用的。比如一个随机数生成器，我们只是希望能够查询它，比如给我们一个随机数，我们不需要实例化它，遍历所有东西。因为我们只是想实例化它一次，这样它就会生成随机数生成器的种子，建立起它所需要的任何辅助的东西了。然后我们要调用一个函数，基于我们初始化它的结果，它会给我们一个随机数。
另一个很好的例子是渲染器，渲染器通常是一个非常全局的东西。我们通常不会有一个渲染器的多个实例，我们有一个渲染器，我们向它提交所有这些渲染命令，然后它会为我们渲染一些东西。如果我们将其分解到opengl的部分，我们实际上通过渲染器调用opengl调用的东西，本身就是一组全局函数。这根本不是和某种对象有关的东西，它们只是C风格的函数，没有类，一点关系都没有。

‌‌（3）用类实现单例模式的几个关键点：
发明类的初心就是重复使用，创建任意个实例的，但是现在我们只允许它只能有一个实例，所以我们要通过下面几点来达到目的：
一是私有构造函数‌：防止外部通过new操作符创建多个实例，因为new操作符的底层也是调用构造函数，私有构造函数就无法调用。
‌‌二是使用静态变量‌存储类的唯一实例。
‌三是使用公共静态方法‌提供一个全局访问点来获取这个实例。

下面编写一个非常非常基本的、用类来实现单例的例子：

这段代码通过将构造函数设为私有，确保外部无法直接创建实例；创建一个自身的实例，并静态的、私有的存储；然后通过一个公共的静态方法来获取那个实例。这些操作就让这个类成了一个单例类。

可见，C++中的类单例只是一种组织一堆全局变量和静态函数的方式，这些静态函数有时可能对这些变量起作用，有时也可能不对这些变量起作用。也就是在一个单一的名称空间下(类名)，把这些全局变量和静态函数组织在一起。这就是C++类单例的本质。

如果还是不是太理解的同学可以参考我之前写的博文 【C++】类、静态static、枚举、重载、多态、继承、重写、虚函数、纯需函数、虚析构函数_静态与多态:重写、重载、模板-CSDN博客 中的static部分，相信看完就明白了。

如果觉得上面的例子没有啥意义，那我们利用单例类写一个随机数生成器：

这个随机数生成器是我们在一开始就放入了随机数种子，然后在整个程序中重用，非常简单，因为我们不需要一个随机数生成器有多个实例。上图单例仅仅是返回了一个静态值，所以这个单例可以写成右边的静态函数。但是我们还是使用了类单例(左图)，因为类单例之所以为类单例，是因为它实际上还是一个类，因此它可以支持所有的类特性，比如类成员变量等。

如果说上面需要调用GetInstance再调用get_seed很麻烦，我们可以这样改写：

如果说上面的写法还是特别麻烦，我们还可以这样写：

此时左图的写法就清晰很多，不需要像右图那样，三步分散得到处都是，可读性比较差。

结论：单例的核心就是上面的GetInstance函数。单例的声明周期就是你的应用的生命周期。一旦我有了这个单例，我可以写任何数量的非静态方法，都可以通过GetInstance函数访问这些方法。

下面再简单展示一下使用命名空间实现的写法：

虽然使用命名空间也可以实现，但是失去了public、private这些类的功能。

2、跟踪内存分配的简单方法
如何跟踪内存的分配？这个知识点其实前面都已经有过涉及，这里就是进行一个小结。

知道你的程序什么时候分配内存，特别是堆内存，是非常有用的。尤其是在性能关键的代码中，在堆上分配内存是很糟糕的做法。 如果你知道是哪行代码分配了内存，你就可以针对性的优化你的程序，使其运行得更快。此外，如果你能看到内存被分配到哪里，可以帮助你更好的理解你的代码的工作原理。所以本部分要编写代码跟踪应用程序内存的总体使用情况，而不是依赖某些内存管理工具。

所以，我们可以通过在operator new函数中插入一个断点，就可以精确的追踪这些内存分配的来源。

下面写一个完整的new和delete：

我们还可以维护一个allocation metrics,就可以确切知道有多少内存被使用，有多少内存被分配，有多少内存被释放等等：

当然上面这个可能写得比较牵强，anyway大体就是这么写的。

最后提一下，VS内置的内存分配跟踪分析工具Valgrind,是一款用于内存调试、内存泄露检测以及性能分析的软件开发工具。自己写还是使用现有的工具，这个你自己看着办吧。