框架中的单例模式

本节来讨论下，在框架代码中，怎样设计单例模式

考虑这种场景：

框架的开发者写了一个类 Config用来管理整个程序运行周期中的配置文件，整个程序中应该只有一个配置文件类，所以站在框架开发者的角度，这个类就应该是全局单例；(这是一个典型的单例模式应用场景，单例模式还有一些其他的应用场景，比如：日志记录，线程池管理等)

框架开发者为这个Config类提供了很多通用函数，也有一部分虚函数(站在框架设计者的角度，我们只能尽可能的考虑更多场景，提供一系列的通用函数；但是并不知道这个Config类能否满足所有的情况下的需求，如果可以满足需求，那么直接使用Config类的对象作为全局对象即可；如果满足不了需求，那么就需要应用程序的开发者，主动继承这个类，重写虚函数，或者是添加一些自定义函数，然后将应用程序开发者的设计的类的对象作为全局对象)，当然Config类还有一个和其他单例类一样的静态函数 static Config* getInstance();用来获取全局单例对象

站在框架开发者的角度，是提供了一些通用的功能，也支持对类Config的扩展(继承Config，重写虚函数)

在程序运行时(应用程序开发者)，能通过框架设计者提供的 static Config* getInstance();来获取到全局单例对象，这个对象可能是Config的实例，也可能是Config的子类的实例

那么框架设计者的这个类Config应该如何设计呢？

框架开发者考虑到应用程序在运行时，不一定是直接使Config类的对象，有可能还会使用Config的子类对象，所以可以将getInstance()设计为模板函数, 并需要在类Config中添加一个静态成员变量，保存类的指针，如果应用程序未对Conifg类做扩展，那么这个指针指向类Config的对象，如果应用程序做出扩展，那么这个指针指向类Config的子类对象：

cpp 复制代码

//框架中的 Config 类
Config* Config::m_ins = nullptr;
class Config
{
public:
	template <typename T=Config>
    static T* getInstance() 
    {
        if (m_ins != nullptr)
        {
            return dynamic_cast<T*>(m_ins);
        }
        return nullptr;
    }
    
    static void setGlobalConfig(Config* ins)
    {
    	m_ins = ins;
    }
	
	int getValue() {}
	virtual void restoreValue() {}

protected:
    Config() {}
    ~Config() {}

static Config* m_ins;
};

//应用程序对Config类做扩展
class CustomConfig: public Config 
{
	// 特定于CustomConfig的函数和数据
public:
    CustomConfig() {}
    ~CustomConfig() {}
	void getCustomValue() {}
	virtual void restoreValue() override {}
};


	//使用时
    std::unique_ptr<CustomConfig> cfg = std::make_unique<CustomConfig>();
    Config::setGlobalConfig(cfg.get());
    
	Config::getInstance()->getValue();		//使用Config 类提供的基础函数
	Config::getInstance<CustomConfig>()->getCustomValue(); // 使用 CustomConfig类中的特有函数

用过Qt的同学们可以回过头想想，Qt的qApp是不是也是类似，源码如下；这里的QCoreApplication 就对应着我们的Config类，并且Qt和我们一样，并不知道当前设计的类是否足够用户使用；这里的QApplication就对应着CustomConfig类

我们可以在程序中使用 qApp 获取到全局的 QApplication对象，就对应着我们可以使用getInstance<>(）模板函数获取到全局的Custom类对象，

这里的self 指针，就是我们上面的 m_ins 指针，只不过QCoreApplication中没有一个类似于setGlobalConfig()的函数为self赋值，self指针的赋值操作，是Qt框架内部完成的，所以才导致qApp这个宏定义是在QApplicaiton中，而不是在QCoreApplication中，这么一比较下来，我们当前的设计，比Qt具有更高的扩展性

cpp 复制代码

#define qApp (static_cast<QApplication *>(QCoreApplication::instance()))
static QCoreApplication *instance() { return self; }

进一步思考：

上述例子中，我们演示的是用程序开发者对Config类做了扩展，使用了自定义的类CustomConifg类对象作为全局单例

思考：那如果我们设计的Config类就足够满足应用程序的使用场景，那么应用程序开发者就不需要对Config类做扩展，他希望直接使用Config类对象就够了，那么代码又该如何写呢？

cpp 复制代码

    std::unique_ptr<Config> cfg = std::make_unique<Config>();	//主动创建
    Config::setGlobalConfig(cfg.get());	//设置全局单例对象
    
	Config::getInstance()->getValue();		//使用Config 类提供的基础函数

这样是否增加了应用程序开发者的使用负担了呢？对于应用程序的开发者，他希望直接就能通过Config::getInstance()函数获取到全局的 Config类对象，而不是还需要他自己去创建对象，并且设置给全局，因为他并没有对Config类做任何扩展

回到框架设计者的角度，那么这个Config类又该如何设计呢？

回答：可否在第一次使用Config::getInstance()函数时，如果类对象没有指定，那么就创建一个默认的对象？

cpp 复制代码

	template <typename T=Config>
    static T* getInstance() 
    {
        if (m_ins == nullptr)	//创建Config类对象，或者是子类对象
        {
        	static std::mutex mu;
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mu);
            if (m_ins == nullptr)
            {
                m_ins = new T();
            }
        }
        
        if (m_ins != nullptr)
        {
            return dynamic_cast<T*>(m_ins);
        }
        return nullptr;
    }

//使用
Config::getInstance()->getValue();	//第一次调用时，会主动创建一个Config类对象作为全局单例
Config::getInstance<CustomConfig>()->getCustomValue(); //第一次调用时，会主动创建一个CustomConfig类对象作为全局单例

这样就免去了应用程序使用时，主动创建对象，并将对象设置为全局对象的过程；变成了在应用程序第一次使用 Config::getInstance<>()模板函数时，去创建对象，也就是通俗的懒汉式单例模式;

继续思考

思考：如果这里的Config构造函数需要参数，或者CustomConfig类构造函数需要参数，那么框架中的getInstance()函数又该如何设计？

回答：只需要将getInstance()模板函数设计成支持可变参数的模板即可，我们这里假设CutomConfig类需要两个int类型的参数：

cpp 复制代码

    template<typename T = Config, typename ...Args>
    static T* getInstance(Args&&... args)
    {
        if (m_ins == nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mu);
            if (m_ins == nullptr)
            {
                m_ins = new T(std::forward<Args>(args)...);
            }
        }
        return static_cast<T*>(m_ins);
    }

使用：

cpp 复制代码

	Config::getInstance<CustomConfig>(10, 20)->getCustomValue(); //使用两个int类型参数，构造全局CustomConfig类对象，并调用自定义函数

到这里，我们框架中的这个Config类是否已经足够完美了呢？

思考: 站在应用程序开发者的角度，以上的方式，除了在首次创建CustomConfig类对象时，需要传递参数，并且应用程序开发者想要使用CustomConfig类对象时，都需要传递参数，并且后续传入的参数已经失去了作用，因为全局对象已经使用首次的参数创建好了，后续即使传递参数，也不会再创建新的对象，这样明显不合理了；如果能做到仅仅在第一次创建对象时传递参数，后续使用不需要再传构造参数，那么还可以接受；

那么框架设计者应该如何更进一步设计这个 Config 类呢？

参考上一节，我们同样可以使用一个不带参数的 getInstance()函数作为重载：

cpp 复制代码

    template<typename T = Config, typename ...Args>
    static T* getInstance(Args&&... args)
    {
        if (m_ins == nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mu);
            if (m_ins == nullptr)
            {
                m_ins = new T(std::forward<Args>(args)...);
            }
        }
        return static_cast<T*>(m_ins);
    }

	//重载版本，无需传递构造参数的 getInstance() 函数
    template<typename T = Config>
    static T* getInstance()
    {
        return static_cast<T*>(m_ins);
    }

使用：

cpp 复制代码

 Config::getInstance<CustomConfig>(10, 20)->getCustomValue();	//首次使用参数创建全局类对象
 Config::getInstance<CustomConfig>()->getCustomValue();	//需后续无需参数，使用类对象

返璞归真

从头到尾，思考和改动了这么多次，读者你认为哪种方式最好呢？

我还是觉得，使用 setGlobalConfig()的方式最好，我们后面的思考和改进，都是在针对应用程序开发者会怎样使用这个Config类? 应用程序开发者在使用Config类时会有哪些可能的槽点？而发起的；于是我们站在框架设计者的角度针对可能的使用场景，做出相应的改进。

我认为无论应用程序开发者觉得最开始的Config类是否足够使用，他都应该在应用程序代码中，主动的创建Config (或子类)对象，并调用setGlobalConfig函数，将其设置为全局单例。

结尾

非常感谢你能认真看完这篇文章，如果它对你有所帮助，我将倍感荣幸。