c++ - C++ 单例类实例的堆/动态与静态内存分配

Question

我的具体问题是，当实现 singleton class在 C++ 中，以下两个代码在性能、附带问题或其他方面是否存在实质性差异:

class singleton
{
    // ...
    static singleton& getInstance()
    {
        // allocating on heap
        static singleton* pInstance = new singleton();
        return *pInstance;
    }
    // ...
};

还有这个:

class singleton
{
    // ...
    static singleton& getInstance()
    {
        // using static variable
        static singleton instance;
        return instance;
    }
    // ...
};

(请注意，基于堆的实现中的取消引用不应影响性能，因为 AFAIK 没有为取消引用生成额外的机器代码。与指针区分开似乎只是语法问题。)

更新:

我有一些有趣的答案和评论，我试图在这里总结它们。 (建议有兴趣的人阅读详细答案。):

• 在使用 static 局部变量的单例中，类析构函数在进程终止时自动调用，而在 动态分配 的情况下，您必须以某种方式管理对象销毁有时，例如通过使用智能指针:

    static singleton& getInstance() {
        static std::auto_ptr<singleton> instance (new singleton());
        return *instance.get(); 
    }

• 使用动态分配的单例比静态单例变量“懒惰”，因为在后一种情况下，单例对象所需的内存(总是？)在进程启动时保留-up(作为加载程序所需的整个内存的一部分)并且仅调用单例构造函数被推迟到 getInstance() 调用时间。当 sizeof(singleton) 很大时，这可能很重要。

• 两者在 C++11 中都是线程安全的。但对于早期版本的 C++，它是特定于实现的。

• 动态分配情况使用一级间接访问单例对象，而在静态单例对象情况下，对象的直接地址是在编译时确定和硬编码的。

P.S.:我已经根据@TonyD 的回答更正了我在原始帖子中使用的术语。

Answer 1

• new 版本显然需要在运行时分配内存，而非指针版本在编译时分配内存(但两者都需要做相同的构造)

• new 版本不会在程序终止时调用对象的析构函数，但非 new 版本会:您可以使用智能指针来纠正这个

  • 您需要注意一些静态/命名空间范围对象的析构函数在其静态本地实例的析构函数运行后不会调用您的单例...如果您对此感到担忧，您或许应该阅读更多关于单例生命周期和管理它们的方法。 Andrei Alexandrescu 的现代 C++ 设计具有非常易读的处理方式。

• 在 C++03 下，是否线程安全由实现定义。 (我相信 GCC 往往是，而 Visual Studio 往往不会 - 评论确认/纠正赞赏。)

• 在 C++11 下是安全的: 6.7.4 “如果控制在变量初始化时同时进入声明，则并发执行应等待初始化完成。” (无递归)。

讨论重新编译时与运行时分配和初始化

从你的总结和一些评论的措辞来看，我怀疑你并没有完全理解静态变量的分配和初始化的一个微妙方面......

假设你的程序有 3 个本地静态 32 位 ints - a、b 和 c -在不同的功能中:编译器可能会编译一个二进制文件，告诉操作系统加载程序为这些静态变量保留 3x32 位 = 12 字节的内存。编译器决定每个变量的偏移量:它可以将 a 放在数据段中的偏移量 1000 hex，b 放在 1004 处，而 c 在 1008。当程序执行时，操作系统加载程序不需要为每个单独分配内存 - 它所知道的只是总共 12 个字节，它可能会或可能不会被专门要求 0 初始化，但它可能无论如何都想确保进程看不到其他用户程序的剩余内存内容。程序中的机器代码指令通常会硬编码偏移量 1000、1004、1008 以访问 a、b 和 c - 所以在运行时不需要分配这些地址。

动态内存分配的不同之处在于指针(比如 p_a、p_b、p_c)将在编译时被赋予地址描述，但另外:

• 必须在运行时找到指向的内存(a、b 和 c)(通常在静态函数首先执行，但编译器允许根据我对另一个答案的评论更早地执行它)，并且
  • 如果操作系统当前为进程分配的内存太少而导致动态分配无法成功，则程序库将向操作系统请求更多内存(例如，使用 sbreak())-出于安全原因，操作系统通常会清除它们
  • 必须将分配给每个a、b和c的动态地址复制回指针p_a、p_b 和 p_c。

这种动态方法显然更加复杂。