Cpp 常见编程范式

单例模式

单例模式作为最简单但最常用的设计模式，值得仔细整理一下 C++ 的相关语法。

单例模式简介

单例模式(Singleton Pattern)，使用最广泛的设计模式之一。其意图是保证一个类仅有一个实例被构造，并提供一个访问它的全局访问接口，该实例被程序的所有模块共享。

大致的做法为：

定义一个单例类；
私有化构造函数，防止外界直接创建单例类的对象；
禁用拷贝构造，移动赋值等函数，可以私有化，也可以直接使用=delete；
使用一个公有的静态方法获取该实例；
确保在第一次调用之前该实例被构造。

在 C++中我们需要考虑：

在什么时机构造？程序一开始，第一次调用前？
如何构造这个实例？在堆上构造，还是通过静态变量？如果单例在堆上构造，是否存在内存泄漏？
实例构造失败会如何？抛异常？返回空指针？
通过接口返回指针还是引用？
线程安全？多线程下会不会重复构造？加锁？

我们暂时不考虑类的继承问题，以及需要给单例的构造传参数的问题。关于构造时机的不同，有以下两种习惯的称呼：

饿汉模式（Eager Singleton）：在程序启动后立刻构造单例；
懒汉模式（Lazy Singleton）：在第一次调用前构造单例。

单例模式实现

我们在下文中会实现多个略有不同的 Singleton 类，提供get_instance作为接口，在实例的构造和析构时分别输出消息

1 2	Singleton: call Constructor Singleton: call Destructor

并且使用如下的 main 函数进行调用，验证构造时机并确保没有重复构造。

int main(int argc, char *argv[]) {
    std::cout << "main: begin\n";
    Singleton::get_instance();
    std::cout << "main: hello,world\n";
    Singleton::get_instance();
    std::cout << "main: end\n";
    return 0;
}

这里我们把做法分成两类，然后进行进一步的讨论：

第一类通过静态变量实现；
第二类需要在堆上构造单例（更加复杂，存在更多的问题）。

基于静态变量

已知类的静态变量的构造是在程序启动后，main 函数之前完成的，而函数体内部的局部静态变量则是在第一次调用函数时完成的，这两个特点刚好可以分别满足我们的需求。

由于是通过静态变量实现的单例，我们不需要考虑内存泄漏的问题，构造失败也直接通过抛异常体现，我们的接口返回静态变量的引用即可。C++保证静态变量的构造是线程安全的，从 C++11 开始，保证局部静态变量的构造也是线程安全的，这些是编译器自动完成的，我们不需要考虑。

基于类的静态变量，可以实现饿汉版的单例模式：

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

    static Singleton demo;  // declare
public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton &get_instance() { return demo; }
};

Singleton Singleton::demo;  // define

运行结果：（确实在 main 函数之前构造，而且只构造了一次）

Singleton: call Constructor
main: begin
main: hello,world
main: end
Singleton: call Destructor

基于类的静态函数的局部静态变量，可以实现懒汉版的单例模式：

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton &get_instance() {
        static Singleton demo;
        return demo;
    }
};

运行结果：（确实在第一次调用时构造，而且只构造了一次）

main: begin
Singleton: call Constructor
main: hello,world
main: end
Singleton: call Destructor

这个实现在语法上就漂亮了很多。事实上，这就是在 C++11 之后，Effective C++最推荐的单例模式写法。

C++11 保证局部静态变量的构造是线程安全的，我们可以通过cppinsight.io查看经过简单处理之后的更本质的形式，上文懒汉版单例类的get_instance可能被处理为如下形式（具体实现与编译器有关）。由此可见，编译器确实做了一些确保构造安全和线程安全的工作。

static inline Singleton &get_instance() {
    static uint64_t __demoGuard;
    alignas(Singleton) static char __demo[sizeof(Singleton)];

    if (!__demoGuard) {
        if (__cxa_guard_acquire(&__demoGuard)) {
            try {
                new (&__demo) Singleton();
                __demoGuard = true;
            }
            catch (...) {
                __cxa_guard_abort(&__demoGuard);
                throw;
            }

            __cxa_guard_release(&__demoGuard);
        }
    }
    return *reinterpret_cast<Singleton *>(__demo);
}

基于 new 实现

如果不使用静态变量，那么我们就需要直接操作指针，直接面对构造安全、线程安全和内存安全等问题，这通常是吃力不讨好的行为，但是鉴于单例模式在早期有很多类似的实现，还是记录一下吧。

饿汉版的直接实现如下，这里还是使用了类的静态成员，虽然是指针类型，仍需要在类的定义之外进行 new，因为必须在类的定义完成之后。

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

    static Singleton *demo;

public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton *get_instance() { return demo; }
};

Singleton *Singleton::demo = new Singleton();

运行结果：（确实在 main 函数之前构造，而且只构造了一次，注意这里没有调用析构函数）

Singleton: call Constructor
main: begin
main: hello,world
main: end

懒汉版的直接实现如下，这里还是使用了类的静态成员，作为指针类型可以 inline 初始化为 nullptr，不需要在类的外面加代码了。

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

    inline static Singleton *demo{nullptr};

public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton *get_instance() {
        if (demo == nullptr) { demo = new Singleton(); }
        return demo;
    }
};

运行结果：（确实在第一次调用之前构造，而且只构造了一次，注意这里没有调用析构函数）

main: begin
Singleton: call Constructor
main: hello,world
main: end

这两个基于 new 的原始版本的单例模式，存在非常多的问题：

第一个问题是单例的析构函数始终不会被调用，直到程序结束回收内存。解决方法可以是 RAII，直接使用 C++的智能指针，或者自己实现一个嵌套类，在类的静态成员析构时调用 delete，这里略去。
第二个问题是构造失败的处理，比如 new 失败了？这只是细节末节，加一些保护措施即可，不做讨论。
第三个问题是线程安全，我们只需要考虑饿汉版本，因为全局变量的构造是线程安全的。

我们重点关注第三个问题，针对线程安全进行改进。

下面是改进后的一种饿汉版实现，这里采用两次判断：如果是空，先加锁，如果是空，才构造。这种写法曾经被广泛采用，称为双检测锁模式（DCL: Double-Checked Locking Pattern），可以很大程度上确保线性安全。

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

    inline static Singleton *demo{nullptr};
    inline static std::mutex lock;

public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton *get_instance() {
        if (demo == nullptr) {
            std::lock_guard tmp{lock};
            if (demo == nullptr) { demo = new Singleton(); }
        }
        return demo;
    }
};

运行结果：（确实在第一次调用之前构造，而且只构造了一次，注意这里没有调用析构函数）

main: begin
Singleton: call Constructor
main: hello,world
main: end

DCL 的写法还是可能有问题的，在特定情况下可能出现内存操作在编译器优化后的顺序冲突问题，这里不做讨论，只是给出解决办法：在 C++11 之后使用 atomic 原子操作。进一步改进得到的饿汉版实现如下

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

    inline static std::atomic<Singleton *> demo{nullptr};
    inline static std::mutex lock;

public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton *get_instance() {
        if (demo == nullptr) {
            std::lock_guard lc{lock};
            if (demo == nullptr) { demo = new Singleton(); }
        }
        return demo;
    }
};

运行结果：（确实在第一次调用之前构造，而且只构造了一次，注意这里没有调用析构函数）

main: begin
Singleton: call Constructor
main: hello,world
main: end

补充

单例基类

我们可以通过继承一个不可复制基类，实现一个可复用的单例模式：它自动删除了拷贝构造和赋值，并且私有化了构造函数，但是仍然需要具体写出（可带参数的）get_instance接口，这里没有选择 CRTP 等技巧通过模板类实现，因为那样的实例化可能不受控制，无法禁止某些非法语法。

#include <iostream>

class SingletonBase {
protected:
    SingletonBase() = default;

public:
    SingletonBase(const SingletonBase &) = delete;
    SingletonBase &operator=(const SingletonBase &) = delete;
    ~SingletonBase() = default;
};

class A : public SingletonBase {
private:
    int m_s{0};

    A(int s) : m_s(s) {
        std::cout << "A: call Constructor with s=" << m_s << "\n";
    }

    ~A() { std::cout << "A: call Destructor with s=" << m_s << "\n"; }

public:
    static A &get_instance(int s) {
        static A tmp(s);
        return tmp;
    }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    std::cout << "main: begin\n";
    A::get_instance(4);
    std::cout << "main: hello,world\n";
    A::get_instance(40);
    std::cout << "main: end\n";
    return 0;
}

运行结果如下：

main: begin
A: call Constructor with s=4
main: hello,world
main: end
A: call Destructor with s=4

动态库中的单例模式

对于这里所讨论的单例模式，如果我们将其封装在动态库中使用，那么其实还会遇到很多问题，这些问题可能会导致单例并不是真正的单例，而是多个编译单元的不同实例。

这些问题可能与平台相关，可能和符号导出相关，还可能和静态库动态库混合使用相关。目前我没有精力去关注这些细节，只是将一些可能的避免措施记录一下：

不要将单例的实现使用inline的写法放在类的头文件中，而是在头文件中只进行声明，在单独的cpp文件中进行实现；
对于一个大的系统，将所有的单例集中到一个动态库模块中，避免分散。
对于跨动态库使用单例，注意明确标记当前应该是导入还是导出符号。

CRTP

奇异递归模板模式 CRTP 是一个非常经典的C++静态多态实现方案，在很多库中都有应用，这里整理一下。

概述

奇异递归模板模式(Curiously Recurring Template Pattern, CRTP)是 C++ 编程中一种常用的静态多态方案，它通过模板继承和静态绑定来实现类型多态。相比于C++直接提供的基于虚函数的动态多态方案，CRTP既可以避免虚函数的额外性能开销，还可以在编译时获得更好的类型检查和优化。

CRTP的核心思想如下：

模板基类是一个模板类，模板参数是派生类自身。（这种递归的模板参数是这个模式名字的来源）
派生类：派生类继承自通过自身类型实例化的基类。

通过基类调用方法时，首先会将this指针进行类型转换为派生类的类型（因为派生类类型是模板参数，基类可以获取到派生类类型），然后就可以调用派生类的方法。这种处理导致我们无法添加基类自身的方法实现并使用，因此基类只能作为一个抽象基类使用。这一切都发生在模板实例化的过程中，在编译期中即可完全确定。

CRTP具有如下的优势：

静态多态：CRTP的是静态多态，通过基类调用派生类的方法是静态绑定的，完全在编译期通过模板实例化确定。与动态多态相比效率更高，因为完全避免了虚函数调用的开销。
类型安全：CRTP在编译时可以进行类型检查，从而确保方法调用的类型安全。

事实上，除了原理不同，CRTP和虚函数的使用情景并不是完全重合的，例如CRTP可以使用在某些虚函数无法应用的情景（静态成员函数，模板成员函数等）。

示例

我们从传统的，基于虚函数的动态多态出发，有下面的例子

#include <iostream>
#include <string>

class Base {
public:
    virtual ~Base() = default;

    virtual void run() const { std::cout << "Base Run\n"; }
};

class Derived1 : public Base {
private:
    std::string m_name;

public:
    explicit Derived1(std::string name) : m_name(std::move(name)) {}

    void run() const override {
        std::cout << "Derived1 Run, his name is " << m_name << '\n';
    }
};

class Derived2 : public Base {
private:
    std::string m_name;

public:
    explicit Derived2(std::string name) : m_name(std::move(name)) {}

    void run() const override {
        std::cout << "Derived2 Run, her name is " << m_name << '\n';
    }
};

void Action(Base &obj) { obj.run(); }

int main() {
    Base b;
    Action(b);

    Derived1 d1("Tom");
    Action(d1);

    Derived2 d2("Jerry");
    Action(d2);

    return 0;
}

运行结果如下

1
2
3

Base Run
Derived1 Run, his name is Tom
Derived2 Run, her name is Jerry

其中的Action函数中，我们通过基类的引用（或指针）调用了虚函数，实现了动态多态

1
2
3

void Action(Base &obj) {
    obj.run();
}

在CRTP的实现中，我们将派生类作为模板参数传递给基类，通过基类调用时，首先通过类型转换到派生类，然后调用对应的方法。

template <typename Derived>
class Base {
public:
    void run() { static_cast<Derived *>(this)->run(); }
};

CRTP的完整实现如下

#include <iostream>
#include <string>

template <typename Derived>
class Base {
public:
    void run() { static_cast<Derived *>(this)->run(); }
};

class Derived1 : public Base<Derived1> {
private:
    std::string m_name;

public:
    explicit Derived1(std::string name) : m_name(std::move(name)) {}

    void run() const {
        std::cout << "Derived1 Run, his name is " << m_name << '\n';
    }
};

class Derived2 : public Base<Derived2> {
private:
    std::string m_name;

public:
    explicit Derived2(std::string name) : m_name(std::move(name)) {}

    void run() const {
        std::cout << "Derived2 Run, her name is " << m_name << '\n';
    }
};

template <typename T>
void Action(Base<T> &obj) {
    obj.run();
}

int main() {
    Derived1 d1("Tom");
    Action(d1);

    Derived2 d2("Jerry");
    Action(d2);
    return 0;
}

运行结果如下

1 2	Derived1 Run, his name is Tom Derived2 Run, her name is Jerry

注意到这里我们无法实例化和调用基类对象，基类只是起到抽象基类的作用。

有时为了省略频繁出现的static_cast，也可以在类中提供derived方法

constexpr const Derived &derived() const {
    return static_cast<const Derived &>(*this);
}
constexpr Derived &derived(){
    return static_cast<Derived &>(*this);
}

CRTP也可以用于多层继承，此时只有最底层的具体类可以被实例化，例如

#include <iostream>

// 第一层：基类 A
template <typename D>
class A {
public:
    void run() {
        static_cast<D*>(this)->func1();
        static_cast<D*>(this)->func2();
        static_cast<D*>(this)->func3();
    }

    void func1() {
        std::cout << "A::func1\n";
    }

    void func2() {
        std::cout << "A::func2\n";
    }

    void func3() {
        std::cout << "A::func3\n";
    }
};

// 第二层：中间类 B
template <typename D>
class B : public A<D> {
public:
    void func3() {
        std::cout << "B::func3\n";
        static_cast<D*>(this)->func4();
    }

    void func4() {
        std::cout << "B::func4\n";
    }
};

// 第三层：具体类 C1
class C1 : public B<C1> {
public:
    void func4() {
        std::cout << "C1::func4\n";
    }
};

// 第三层：具体类 C2
class C2 : public B<C2> {
public:
    void func2() {
        std::cout << "C2::func2\n";
    }

    void func4() {
        std::cout << "C2::func4\n";
    }
};

注意中间基类在定义时仍然传递的是模板类型参数D，并没有将自身传入，只有C1和C2因为在定义时传入了自身，因此可以实例化。

如果将中间类改成嵌套的写法

// 第二层：中间类 B
template <typename D>
class B : public A<B<D>> {
public:
    void func3() {
        std::cout << "B::func3\n";
        static_cast<D*>(this)->func4();
    }

    void func4() {
        std::cout << "B::func4\n";
    }
};

可能有意料之外的行为，因为类模板的递归太复杂了，懒得去考究。

Pimpl

Pimpl(Pointer to Implementation)是一种常用的C++设计模式，用于隐藏类的实现细节、减少编译依赖性和提高封装性。

概述

Pimpl模式主要的思路就是：在实现类的外层套上一层简单的接口类，接口类只含有一个指向实现类的指针，并暴露必要的接口。注意接口类包含的不是实现类对象，而是实现类指针，否则修改实现类无法做到二进制的稳定性。

Pimpl模式可以达到如下的效果：

隐藏实现细节：实现细节被封装在实现类中，提供给用户的接口类只暴露必要的接口，提高代码的封装性
维护接口稳定性：我们只需要维护暴露在接口类中的接口稳定性即可，实现类的内部可以自由地进行更改
减少编译依赖性：由于接口类的实现细节被隐藏，接口类只含有实现类的指针，对实现类进行的细节改变不会导致依赖于接口类的文件重新编译，从而减少编译时间。

Pimpl模式和继承以及虚函数的作用是不重合的，并不存在相互取代的关系。和虚函数类似，Pimpl增加了间接的指针调用，这必然会影响到程序的运行效率。

示例

包括三个文件：

Demo.h：接口类的声明
Demo.cpp：实现类的完整实现，以及接口类的实现
main.cpp：使用接口类

// Demo.h
#pragma once
#include <memory>
#include <string>

class Demo {
public:
    explicit Demo(std::string name);
    ~Demo();

    void run() const;

private:
    class DemoImpl;
    std::unique_ptr<DemoImpl> m_impl;
};

// Demo.cpp
#include "demo.h"
#include <iostream>

class Demo::DemoImpl {
public:
    explicit DemoImpl(std::string name) : m_name(std::move(name)) {}

    void run() const {
        std::cout << "call DemoImpl " << m_name << " run()\n";
    }

private:
    std::string m_name;
};

Demo::Demo(std::string name)
    : m_impl(std::make_unique<DemoImpl>(std::move(name))) {}

Demo::~Demo() = default;

void Demo::run() const { m_impl->run(); }

// main.cpp
#include "demo.h"

int main(int argc, char *argv[]) {
    Demo("temp").run();

    return 0;
}

运行结果

1	call DemoImpl temp run()