[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