C++的单例模式为什么不直接全部使用static，而是非要实例化一个对象？

Posted 2022-05-17 程序员编程指南

开场

前段时间我在知乎回答了这样一个问题：

为什么C++单例模式不能直接全部使用 static变量和 static函数呢？如果全部使用 static的话，是不是也不会有多线程的问题了？而且“类型::方法”的访问方式比起先getInstance()再访问难道不是更加简单清晰吗？

（还是说是为了附和 “单例” 这样一个字面上的意思）

//大概这个样子
class Singleton 
public:
 static void on() Singleton::isOn = true;
 static void off() Singleton::isOn = false;
 static bool state() return Singleton::isOn;
private:
 static bool isOn;
;

这可能是很多C++学习者都会有的疑惑，下面是我的回答。

正文

通过getInstance()函数获取单例对象，这种模式的关键之处不是在于强迫你用函数来获取对象。关键之处是让static对象定义在函数内部，变成局部static变量。看下这种实现方式的经典demo：

class Singleton 
public:
    static Singleton& getInstance() 
        static Singleton inst;
        return inst;
    
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    // 其他数据函数
    // ...

private:
    Singleton()  ... 
    // 其他数据成员
    // ...
;

学名是：Meyers' Singleton。没错，也就是说这是Scott Meyers最早提出来的C++单例模式的推荐写法。

《Effective C++》系列丛书作者

💡 注意这种单例写法需要C++11。因为是从C++11标准才开始规定 static变量是线程安全的。也就是说无需我们自己写加锁保护的代码，编译器能够帮我们做到。

⛔ 所以C++程序员们不要在读完Java单例模式的资料之后，在C++程序中写double check或volatile了！

如果是把 static对象定义成 Singleton的私有static成员变量，然后getInstance()去返回这个成员即：

class Singleton 
public:
    static Singleton& getInstance() 
        return inst;
    
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    // 其他数据函数
    // ...

private:
    Singleton()  ... 
    static Singleton inst;
    // 其他数据成员
    // ...
;
Singleton Singleton::inst;

虽然它也是 先getInstance()再访问，但这种不是Meyers' Singleton！

---

那么为什么Meyers推荐的是第一种的呢？

原因是这解决了一类重要问题，那就是static变量的初始化顺序的问题。

C++只能保证在同一个文件中声明的static变量的初始化顺序与其变量声明的顺序一致。但是不能保证不同的文件中的static变量的初始化顺序。

然后对于单例模式而言，不同的单例对象之间进行调用也是常见的场景。比如我有一个单例，存储了程序启动时加载的配置文件的内容。另外有一个单例，掌管着一个全局唯一的日志管理器。在日志管理初始化的时候，要通过配置文件的单例对象来获取到某个配置项，实现日志打印。

这时候两个单例在不同文件中各自实现，很有可能在日志管理器的单例使用配置文件单例的时候，配置文件的单例对象是没有被初始化的。这个未初始化可能产生的风险指的是C++变量的未初始化，而不是说配置文件未加载的之类业务逻辑上的未初始化导致的问题。

而Meyers' Singleton写法中，单例对象是第一次访问的时候（也就是第一次调用getInstance()函数的时候）才初始化的，但也是恰恰因为如此，因而能保证如果没有初始化，在该函数调用的时候，是能完成初始化的。所以先getInstance()再访问 这种形式的单例 其关键并不是在于这个形式。而是在于其内容，局部static变量能保证通过函数来获取static变量的时候，该函数返回的对象是肯定完成了初始化的！

讲到这，我们对Meyers' Singleton的盲目鼓吹也需冷静一下，因为C++同样能保证所有文件内（非函数内）的static变量在main()函数开始运行之后肯定是都能做完初始化的。所以如果你是在main()函数运行之后，用日志管理器的单例访问配置文件的单例，那么其实也是没有问题的… 这就引出Meyers' Singleton的第二个优势，那就是当产生继承的时候。如果出现继承，这种写法中：

class Singleton 
public:
    static void on() Singleton::isOn = true;
    static void off() Singleton::isOn = false;
    static bool state() return Singleton::isOn;
private:
    static bool isOn;
;

class Monitor: public Singleton 
public:
    static void addBrightness(int val)  brightness += val;
    static void subBrightness(int val)  brightness -= val;
    static int getBrightness()  return brightness;

private:
    static int brightness;
;

如果有子类继承这一父类，来拓展成新的子类，比如Monitor显示器类有开关状态，同时扩展了一个亮度的成员。但是父子类的static成员变量是共享的，其isOn成员会有问题。

好吧，如果你说你的单例完全不会出现继承的情况，是不是就不需要写成Meyers' Singleton？我只想说，如果你一定要强加这么多限定的话，那么这种设计模式的讨论本身就没有意义。就很像是在说：我自己能够保证每个new出来的指针我都能delete掉它，所以我不需要RAII……

🎓 所谓设计模式（design pattern）、惯用法（idiom）这种老程序员的经验之谈都是让你在大多数情况下，即使你不懂其奥秘，但凡遵守了，就能避免掉很多潜在的问题。尽管这种问题并不能百分百发生。所以这倒没必要去抬杠。