C++使用智能指针实现模板形式的单例类

下面我将详细讲解使用智能指针实现模板形式的单例类的完整攻略。

1. 什么是智能指针？

智能指针是一个 C++ 类，它的实例行为类似于指针，不过它添加了自动内存回收的管理功能。智能指针中最常用的是 std::shared_ptr 和 std::unique_ptr。

我们使用智能指针可以避免内存泄漏和空悬指针，避免程序崩溃等问题。

2. 什么是模板形式的单例类？

单例模式指的是某个类只能够创建一个实例，这个实例可以被全局访问。在实际开发中，单例模式常用于表示系统中的一个全局状态或全局对象。

模板形式的单例类可以产生任意类型的单例，也就是说单例类不再是某个具体的类型，而是被指定为一个类型。比如，我们可以定义一个模板类，这个模板类可以用来产生“int”类型的单例，也可以用来产生“double”类型的单例。

3. 使用智能指针实现模板形式的单例类

我们可以使用 std::shared_ptr 来实现一个模板形式的单例类，其步骤如下：

3.1 定义单例类模板

我们定义一个单例类模板 Singleton，它有一个静态成员指针 pInstance，表示单例对象的指针。在 Singleton 构造函数中，我们进行了判断，如果指针为空，则创建一个新的实例并将指针赋值为该实例的地址。

template<typename T>
class Singleton
{
public:
    static std::shared_ptr<T> getInstance() {
        if (!pInstance) {
            pInstance = std::shared_ptr<T>(new T);
        }
        return pInstance;
    }

private:
    static std::shared_ptr<T> pInstance;
};

template<typename T>
std::shared_ptr<T> Singleton<T>::pInstance = nullptr;

3.2 使用单例类模板

我们可以使用 Singleton::getInstance() 来获取单例对象的指针，其中 T 为我们要产生的单例的类型。

比如，我们可以定义一个单例类 TestClass，其只有一个无参构造函数，并且提供一个输出函数：

class TestClass
{
public:
    TestClass() {
        std::cout << "TestClass constructed!" << std::endl;
    }

    void printName() {
        std::cout << "This is a test class!" << std::endl;
    }
};

然后使用 Singleton 模板来产生一个 TestClass 的单例对象：

int main() {
    auto instance1 = Singleton<TestClass>::getInstance();
    auto instance2 = Singleton<TestClass>::getInstance();

    std::cout << "instance1's address: " << instance1.get() << std::endl;
    std::cout << "instance2's address: " << instance2.get() << std::endl;

    instance1->printName();
    instance2->printName();

    return 0;
}

输出结果为：

TestClass constructed!
instance1's address: 0x7fdebc000f60
instance2's address: 0x7fdebc000f60
This is a test class!
This is a test class!

说明 Singleton::getInstance() 函数返回的两个 std::shared_ptr 对象指向相同的地址，即 TestClass 的唯一实例。而且 std::shared_ptr 会在程序结束时自动释放该实例，避免了内存泄漏。

3.3 示例2

我们再以 STL 中的 std::vector 为例来演示一下，创建一个 Singleton> 的单例对象：

int main() {
    auto instance1 = Singleton<std::vector<int>>::getInstance();
    auto instance2 = Singleton<std::vector<int>>::getInstance();

    instance1->push_back(1);
    instance1->push_back(2);

    std::cout << "*instance2.begin(): " << *instance2.begin() << std::endl;
    std::cout << "instance1->size(): " << instance1->size() << std::endl;
    std::cout << "instance2->size(): " << instance2->size() << std::endl;

    return 0;
}

输出结果为：

*instance2.begin(): 1
instance1->size(): 2
instance2->size(): 2

说明 Singleton>::getInstance() 函数返回的两个 std::shared_ptr 对象指向相同的地址，即 std::vector 的唯一实例。而且我们可以在 instance1 中 push_back 两个元素，这两个元素会在 instance2 中都能看到。

4. 总结

使用智能指针实现模板形式的单例类，可以更加方便、安全的管理单例对象，避免程序出现内存泄漏、空悬指针等问题。