前言

在《單例模式學習》中提到了，在單例對象是通過new關鍵字動態分配在堆上的情況下，當程序退出時，不會通過C++的RAII機制自動調用其析構函數。本文討論一下這種現象的原因以及解決方法。

無法調用析構函數的原因

在DCLP（雙檢查鎖模式）中，CSingleton中的instance是一個靜態指針變量，被分配在全局/靜態存儲區。而instance所指向的CSingleton實例是通過new創建在堆上的，只能手動調用delete來釋放相關資源（對于單例模式這是無法實現的，因為析構函數私有），無法通過RAII釋放相關資源。
在程序結束時，instance這個指針變量被銷毀了，但它所指向的內存空間中的CSingleton對象并沒有被顯式銷毀，而是由操作系統去回收這一塊內存（不會調用其析構函數）。然而依賴操作系統來清理資源并不是一個優雅的結束方式，可能會造成文件句柄未關閉、網絡連接未斷開等資源泄漏。

class CSingleton
{
public:
    static CSingleton* getInstance();
    static std::mutex mtx;
private:
    CSingleton(){}
    ~CSingleton(){}
    CSingleton(const CSingleton&)			 = delete;
    CSingleton& operator=(const CSingleton&) = delete;

    static CSingleton* instance;
};

CSingleton* CSingleton::instance;

CSingleton* CSingleton::getInstance()
{
    if(nullptr == instance)
    {
        mtx.lock();
        if(nullptr == instance)
        {
            instance = new CSingleton();
        }
        mtx.unlock();
    }
    return instance;
}

改進方法

在討論改進方法時，我們還是傾向于利用C++的RAII機制，而不是手動去控制釋放的時機。

內嵌回收類

我們的單例類對象生命周期的開始是在第一次調用時，結束是在程序結束時。

而且我們知道①靜態成員變量的生命周期是從程序啟動到結束②在靜態成員變量被銷毀時會調用其析構函數

因此我們可以在單例類中定義一個用于釋放單例類資源的內嵌類，將其析構函數定義為顯式刪除單例對象的操作，然后在單例類中添加一個內嵌類類型的靜態成員變量garbo。

這樣的話，在程序結束時garbo就會被銷毀，而RAII機制確保了在銷毀時會調用內嵌類CGarbo的析構函數。

因為在~CGarbo()中delete了CSingleton::instance，所以~CSingleton()就會被調用，相關資源得以釋放。

class CSingleton
{
public:
    static CSingleton* getInstance();
private:
    CSingleton(){std::cout<<"創建了一個對象"<< std::endl;}
    ~CSingleton(){std::cout<<"銷毀了一個對象"<< std::endl;}
    CSingleton(const CSingleton&) 			 = delete;
    CSingleton& operator=(const CSingleton&) = delete;
        
    static CSingleton* instance;
    static std::mutex mtx;
        
    class CGarbo    
    {
    public:
        CGarbo(){}
        ~CGarbo()
        {
            if(nullptr != CSingleton::instance)    //嵌套類可訪問外層類的私有成員
            {
                delete CSingleton::instance;
                instance = nullptr;
            }
             std::cout<<"Garbo worked"<< std::endl;
        }
    };
  
    static CGarbo garbo; //定義一個靜態成員，程序結束時，系統會自動調用它的析構函數
    
};
  
CSingleton* CSingleton::instance;

std::mutex CSingleton::mtx;

CSingleton* CSingleton::getInstance()
{
    ...
}

CSingleton::CGarbo CSingleton::garbo;    //還需要初始化一個垃圾清理的靜態成員變量

運行結果：

智能指針

我們還可以利用智能指針引用計數機制，對資源自動管理：

//編譯不通過
class CSingleton
{
public:
    static std::shared_ptr<CSingleton> getInstance(); 
private:
    CSingleton(){std::cout<<"創建了一個對象"<<std::endl;}
    ~CSingleton(){std::cout<<"銷毀了一個對象"<<std::endl;}
    CSingleton(const CSingleton&)            = delete;
    CSingleton& operator=(const CSingleton&) = delete;

    static std::shared_ptr<CSingleton> instance;
    static std::mutex mutex;
};

std::shared_ptr<CSingleton> CSingleton::instance;

std::mutex CSingleton::mutex;

std::shared_ptr<CSingleton> CSingleton::getInstance()
{
    if (nullptr == instance)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        if (nullptr == instance)
        {
            instance = std::shared_ptr<CSingleton>(new CSingleton());
        }
    }
    return instance; 
}

注意上述代碼無法通過編譯，原因是當std::shared_ptr被銷毀時，它會嘗試使用delete來銷毀管理的對象。但因為CSingleton的析構函數是私有的，所以無法從外部手動銷毀CSingleton實例。

要解決這個問題，我們需要在CSingleton中自定義一個刪除器，讓std::shared_ptr能夠調用私有析構函數。

class CSingleton
{
public:
    static std::shared_ptr<CSingleton> getInstance(); 
private:
    CSingleton(){std::cout<<"創建了一個對象"<<std::endl;}
    ~CSingleton(){std::cout<<"銷毀了一個對象"<<std::endl;}
    CSingleton(const CSingleton&)            = delete;
    CSingleton& operator=(const CSingleton&) = delete;

    static std::shared_ptr<CSingleton> instance;
    static std::mutex mutex;

    static void deleter(CSingleton* p); //自定義刪除器
};

std::shared_ptr<CSingleton> CSingleton::instance;

std::mutex CSingleton::mutex;

std::shared_ptr<CSingleton> CSingleton::getInstance()
{
    if (nullptr == instance)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        if (nullptr == instance)
        {
            instance = std::shared_ptr<CSingleton>(new CSingleton(),CSingleton::deleter);
        }
    }
    return instance; 
}

void CSingleton::deleter(CSingleton* p)
{
    delete p;
    std::cout<<"deleter worked"<<std::endl;
}

測試結果：

局部靜態變量

局部靜態變量形式的單例模式也可以完成資源的釋放，詳見《單例模式學習》。

static CSingleton& getInstance() 
{
    static CSingleton instance;
    return instance;
}

參考文章