詳細(xì)論述C++語言中靜態(tài)類型和單例模式，以及為什么會(huì)用到這個(gè)技術(shù)。

1. 概述

很多的知識，學(xué)習(xí)的時(shí)候理解其實(shí)并不是很深，甚至覺得是是不太必要的；而到了實(shí)際使用中遇到了，才有了比較深刻的認(rèn)識。

2. 詳論

2.1. 靜態(tài)類型

2.1.1. 靜態(tài)方法成員

比如說類的靜態(tài)成員函數(shù)。從學(xué)習(xí)中我們可以知道，類的靜態(tài)成員表示這個(gè)類成員直接屬于類本身；無論實(shí)例化這個(gè)類對象多少次，靜態(tài)成員都只是一份相同的副本。那么什么時(shí)候去使用這個(gè)特性呢？一個(gè)很簡單的例子，假設(shè)我們實(shí)現(xiàn)了很多函數(shù)：

void FunA() {}

void FunB() {}

void FunC() {}

這些函數(shù)如果具有相關(guān)性，都是某個(gè)類型的工具函數(shù)，那么我們可以將其封裝成一個(gè)工具類，并將其方法成員都定義成靜態(tài)的：

class Utils {
public:
  static void FunA() {}

  static void FunB() {}

  static void FunC() {}
};

這樣做的好處很多：

1. 體現(xiàn)了面向?qū)ο蟮乃枷搿２⑶?，這些方法在類中本來就只需要一份就可以了，節(jié)省了程序內(nèi)存。
2. 避免在全局作用域定義函數(shù)。一般的編程認(rèn)為，定義在全局作用域的變量或者方法是不太好的。
3. 方便使用：只用記住Utils這個(gè)類的名字，就可以在IDE輸入提示的幫助下快熟輸入想要的函數(shù)。

2.1.2. 靜態(tài)數(shù)據(jù)成員

一個(gè)順理成章的問題就是，既然靜態(tài)方法成員這么好用，那么我們使用靜態(tài)數(shù)據(jù)成員也挺好的吧？一般情況下確實(shí)如此，比如我們給這個(gè)工具類定義一個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)成員pai：

class Utils {
public:
  static void FunA() {}

  static void FunB() {}

  static void FunC() {}

  static double pai;
};

double Utils::pai = 3.1415926;

但是有一個(gè)問題在于，簡單的數(shù)據(jù)成員能夠通過賦值來初始化，如果是一個(gè)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)成員呢？一個(gè)例子就是std::map容器數(shù)據(jù)成員，需要經(jīng)過多次插入操作來初始化。這個(gè)時(shí)候只是通過賦值就很難實(shí)現(xiàn)了。

不僅如此，使用類的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員還會(huì)遇到一個(gè)相互依賴的問題，如參考文獻(xiàn)2中所述。由于靜態(tài)變量的初始化順序是不定的，很可能會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)變量A初始化需要靜態(tài)變量B，但是靜態(tài)變量B卻沒有完成初始化，從而導(dǎo)致出錯(cuò)的問題。

2.2. 單例模式

2.2.1. 實(shí)現(xiàn)

C++并沒有靜態(tài)類和靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)的概念。在參考文獻(xiàn)1中，論述了一些用C++去實(shí)現(xiàn)靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)，從而更加合理的去初始化靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的辦法。其中一個(gè)實(shí)現(xiàn)是：我們需要的類按照正常的非靜態(tài)成員類去設(shè)計(jì)，但是我們可以把這個(gè)類作為另一個(gè)包裝類的靜態(tài)成員變量，這樣就能完美實(shí)現(xiàn)靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)。

正是這個(gè)實(shí)現(xiàn)給了我靈感：我們想要的不是訪問類的靜態(tài)成員變量，而是單例模式。不想像C一樣使用全局函數(shù)或者全局變量，又不想每次都去實(shí)例化一個(gè)對象，那么我們需要的是單例模式。參考文獻(xiàn)3中給出了單例模式的最佳實(shí)踐：

class Singleton {
 public:
  ~Singleton() { std::cout << "destructor called!" << std::endl; }
  Singleton(const Singleton&) = delete;
  Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
  static Singleton& get_instance() {
    static Singleton instance;
    return instance;
  }

 private:
  Singleton() { std::cout << "constructor called!" << std::endl; }
};

int main() {

  Singleton& instance_1 = Singleton::get_instance();
  Singleton& instance_2 = Singleton::get_instance();

  return 0;
}

這段代碼的說明如下：

1. 構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)都存在，無論多復(fù)雜的成員，都可以對數(shù)據(jù)成員初始化和釋放。
2. 構(gòu)造函數(shù)時(shí)私有的，所以無法直接聲明和定義。
3. 拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值構(gòu)造函數(shù)都被刪除，因此無法進(jìn)行拷貝和賦值。
4. 只能通過專門的實(shí)例化函數(shù)get_instance()進(jìn)行調(diào)用。

在實(shí)例化函數(shù)get_instance()內(nèi)部，實(shí)例化了一個(gè)自身的局部的靜態(tài)類。靜態(tài)局部變量始終存放在內(nèi)存的全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)，只在第一次初始化，從第二次開始，它的值不會(huì)變化，是第一次調(diào)用后的結(jié)果值。并且最后，返回的是這個(gè)靜態(tài)局部變量的引用。

2.2.2. 問題

無論從哪方面看，上述的單例實(shí)現(xiàn)，都符合單例的設(shè)計(jì)模式：全局只提供唯一一個(gè)類的實(shí)例,在任何位置都可以通過接口獲取到那個(gè)唯一實(shí)例，無法拷貝也無法賦值。但是也有幾個(gè)問題值得討論。

第一個(gè)問題是，在多線程的環(huán)境下，初始化是否會(huì)造成沖突或者生成了兩份實(shí)例？關(guān)于這一點(diǎn)不用擔(dān)心，從C++11標(biāo)準(zhǔn)開始，局部靜態(tài)變量的初始化是線程安全的。

第二，在參考文獻(xiàn)4中討論了這樣一個(gè)問題：C++單例模式跨DLL是不是就是會(huì)出問題？靜態(tài)變量是單個(gè)編譯單元的靜態(tài)變量，如果動(dòng)態(tài)庫和可執(zhí)行文件都引用了get_instance()的實(shí)現(xiàn)，那么動(dòng)態(tài)庫和可執(zhí)行文件會(huì)分別保有一份自己的實(shí)例。解決方法是要么將get_instance()放入到cpp中，要么使用DLL的模塊導(dǎo)入導(dǎo)出接口的規(guī)則，也就是dllexport和dllimport。

第三，單例模式還有基于模塊的實(shí)現(xiàn)，不過我覺得模板的實(shí)現(xiàn)太復(fù)雜，第二個(gè)問題就是使用模板導(dǎo)致的，這里就不討論了。

3. 參考

1. C++靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)
2. 解決靜態(tài)全局變量初始化的相互依賴問題
3. C++ 單例模式總結(jié)與剖析
4. C++單例模式跨DLL是不是就是會(huì)出問題?