C++中的单例

作者 | 2017年6月7日

写C++的时候用到单例,于是很自然的写出如下的代码:

namespace tlanyan {
    class Foo {
    private:
        static Foo* _instance;
        Foo() {}
        // other members

    public:
        static Foo* getInstance() {
            if (_instance == NULL) {
                _instance = new Foo();
            }
            return _instance;
        }
        ~Foo() {
            // clean codes
        }
        // other members and codes
    };
    Foo* Foo::_instance = NULL;
}

代码的本意:静态成员函数getInstance获取单例指针,并且在析构函数中做一些收尾工作。

运行代码后发现析构函数死活不执行,难道一个单例模式都能写错?反复确认,没发现问题所在,于是上万能的StackOverflow上找原因。正好有伙计有同样的疑惑,有哥们给出了一个可行的方案。根据其答案修改代码如下:

namespace tlanyan {
    class Foo {
    private:
        Foo() {}
        // other members

    public:
        static Foo& getInstance() {
            static Foo _instance;
            return _instance;
        }
        ~Foo() {
            // clean codes
        }
        // other members and codes
    };
}

对比前一段代码,主要改动是移除了静态指针成员,改用函数内的静态成员。由于_instance是函数内的静态成员,在首次调用时被初始化(感谢无参构造函数),之后调用将略过初始化而执行后续代码;函数返回实例的引用,故而每次调用得到的是同一个对象,达到了单例的目的;程序执行结束后,实例的析构函数被自动调用,析构函数中的代码正确执行。

问题解决了,但什么原因造成第一段单例代码的析构函数不执行呢?

这是由于C++持有对象的方式造成的(或者说C++允许程序员手动控制内存引起)。Java/PHP等带有回收机制的语言,持有对象的方式是通过指针,程序员申请对象后会自动分配内存,系统负责跟踪和回收无用的对象和存在。C++允许开发人员以变量的方式持有对象,例如:Foo foo [= Foo(args)]。变量初始化后获得对象的引用,离开作用域后,系统销毁执行栈,对象自动被析构。C++也可以以指针的形式获得对象的引用: Foo* foo = new Foo(args)。这种方式分配的对象,需要开发人员手动管理。如果不执行delete,对象和分配的内存将一直存在,直到程序退出后,才由操作系统回收。如下代码可说明这点:

namespace tlanyan {
    void foo() {
        Foo foo;   // 声明变量,编译器会自动初始化变量
        Foo* ptr = new Foo();   // 声明对象指针,同时为对象开辟内存
        // awesome codes
        return;        // 离开作用域, foo对象将被自动析构;如果之前没有调用过delete ptr, ptr指向的对象将一直存在;如果delete ptr,析构函数将被执行。也可以将ptr指向的对象赋值给外层作用域的指针,此时有多个指针指向同一个变量
    }
}

从上面的代码可以看出,对象没有引用计数的情况下,编译器和系统不敢随便回收new出来的对象内存:多个指针指向同一个对象,delete了对象可能会导致其他代码崩溃;释放内存后,其他指针再delete会多次delete同一块内存,引发不可预知风险。

综上,指针单例析构函数没有被调用的原因是: 自己new的对象,需要自己delete,别指望别人帮你正确调用析构函数。

问题的解决方案有以下几种:

  1. 同StackOverflow上回答,改用变量方式持有单例对象。程序运行结束前会销毁所有变量,变量的析构函数将被正确调用;
  2. 在main函数退出前delete单例。例如增加一个destroy的静态成员函数,将指针指向的对象销毁;
  3. 使用auto_ptr/unique_ptr等智能指针。

如有其它解决方案,欢迎交流指正!

参考

  1. https://stackoverflow.com/questions/6993400/managing-a-singleton-destructor

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