C++单例模式模板类

        在C++的代码中是要尽量避免使用全局变量的，全局变量可能在程序的任一地方被修改，提高代码的定位难度，还会导致代码耦合性变高，难以模块化测试。但有时候一个类对象想要全局使用，且全局只能初始化一次，这时就可以引入单例模式的思想。这里提到的只是单例模式应用的一个场景，实际上全局变量和单例没太大的相关性，单例和静态类的区别在这里不再赘述，网上可以查找到相关的对比，比如下面这个是C#上的说明：

单例模式和静态类 - kerwin cui - 博客园

一、单例模式

        在《Head First 设计模式》一书中，单例模式的定义是“确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点”，类图如下：

        通过类图可以看到单例类有两个明显的特点：① 构造函数是私有的，这样在类外就不能随意进行实例化；② 有一个静态的函数，用来获取类内实例化的对象，类的静态函数可以在代码的任何地方进行调用。根据单例类的这两个特点，可以设计出两种经典的单例模式：懒汉式和饿汉式，还有基于懒汉式的线程安全的双检测锁模式，在下面这篇文章中有很详细的说明：

C++ 单例模式 - 知乎

二、双检测锁模式

        为了在多线程下使用单例模式，基于线程安全问题仅出现在第一次初始化（new）过程中，引入了双检锁模式。第一次检测不涉及到对象的创建，因此是不加锁的检测，不需要锁的时间消耗，只有检测到对象暂未创建的时候，才会进行对象的加锁操作，然后再进行数据的第二次检测，避免在加锁期间，对象已经创建成功，只有二次检测到对象尚未创建才会创建唯一的实例。

        为了在大规模的代码中，方便多个类都定义为单例类，且在写类的代码时不需要太大变动且模式统一，因此本文定义了一个模板类，通过可变模板参数和友元函数的概念，实现调用的统一，具体实现代码如下：

template 
class Singleton {
public:
	template
	static inline std::shared_ptr instance(Args&& ... args) {
		// 双检测锁模式
		if (!instance_.get()) {
			std::unique_lock lock(instanceMutex_);
			if (!instance_.get()) {
				instance_.reset(new T(std::forward(args)...));
			}
		}
		return instance_;
	}

private:
	Singleton() = default;
	virtual ~Singleton() = default;
	Singleton(const Singleton&) = default;
	Singleton& operator = (const Singleton&) = delete;

	// 实例
	static std::shared_ptr instance_;
	static std::mutex instanceMutex_;
};

template 
std::shared_ptr Singleton::instance_;

template 
std::mutex Singleton::instanceMutex_;

#define SINGLETON_DECL(type) \
    friend class std::shared_ptr< type >; \
    friend class Singleton< type >;

        双检锁模式可以在多线程下保证线程的安全，但并不是绝对的。某些内存模型、编译器的优化或者运行时优化等情况下，会先分配完内存再进行数据的构造，造成另一个线程如果调用getInstance()获取到一个不完全初始化的对象，从而出现崩溃的情况。这种情况一个是通过内存屏障(memory barrier)的方式解决，一个是在主函数或者是比较早期的时候就完成单例的创建，还有一个方式是atomic实现，可以参考第一节中《C++ 单例模式》链接里面讲解的很清晰，这里不再赘述，只提供一种单例模板类的实现思路。

三、单例模板类的调用

        将单例模板类定义在头文件Singleton.h中，其它头文件中想要定义为单例模式的类，只需要对其进行引用(#include Singleton.h)即可进行使用，假设我们想定义一个单例类A，则可以通过以下代码实现：

class A{
private:
    A() {}
	
public:
    ~A() {}
    
    int funA() {}
	
private:
    SINGLETON_DECL(A);
};


// 调用单例类A的公共成员函数
Singleton::instance()->funA();
// 在调用的时候会进行实例是否已创建的检查

        可以看到调用是比较简单且统一的，不需要针对每个类再单独写双检测锁的部分。单例模式的实现方式有很多，可以根据项目实际需求选择具体方式，不管是懒汉式、饿汉式还是优化实现，都可以通过可变参数模板进行全局的统一管理。