谈谈多例模式(multiton)

河边一枝柳

发布于 2021-10-26 11:24:42

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发布于 2021-10-26 11:24:42

在文章<<谈谈单例模式>>中介绍过单例模式，一个类全局只会生成一个实例化的对象。而本文将从一些工程经验中，抽象出问题的场景，来谈一谈多例模式，便于还不熟悉的读者更好的理解。

设计模式是前辈们通过丰富的工程实践后总结出的经验。所以笔者认为对于设计模式的理解，并不仅仅在于看懂这个模式的实现方式，更重要的是明白什么时候该使用什么设计模式，而要做到这个，离不开的是不断地实践。注意这里的实践，并不是说手写一遍设计模式的实现，而是多做一些项目，从项目中汲取经验，才能理解的更加深刻，变为自己能够灵活运用的知识。

再聊单例模式

首先多例模式算是单例模式的一种扩展。在理解多例模式之前，本文我们换一个例子，Redis连接池，再来加深下对单例模式的认识。一般在工程实践中，为了减少TCP连接带来的额外时间消耗，以及可能存在的认证过程，一般采用长连接(Persistent Connection)的方式维护和利用连接，即将连接存放在一个池子中(连接池, 一般可以采用容器存储)，当应用访问redis的时候，从池子里取出一个连接对象，然后复用这个连接。当然本文重点讲解的不是这个连接池，想了解的同学可以看一看<<对象池的使用场景以及自动回收技术>>。

以上就是一个场景的铺垫，当一个应用程序第一次引入Redis的时候，会使用如下图所示，这个模块会调用Redis连接池，访问Redis。

这样的使用一点都没有问题, 但当又有个同学写了另一个模块发现也要用Redis，然后就变成了这样。当项目复杂之后，多人协作，就容易写出下面的方式，每一个模块都使用了一个连接池。如果是小型程序，完全没有关系，但是如果你的服务是一个可以自动伸缩扩展机器的SaaS服务呢？又或者某天另一个同学又实现了一个类似的需要访问Redis的模块n. 那么会发生什么？一般连接池会保持一个最小连接数，假设这个最小连接数是3，那么有n个模块一台机器就创建了n3个连接。那如果是m台机器，那么就会有mn*3个连接，这样也许会把单点的Redis连接数量给撑满，从而导致服务使用问题。

理论上一个应用程序使用一个Redis连接池，一般就足够了，而不需要每个模块都使用一个连接池。那么这就提到了本章节的主人公单例模式，如果第一个写Redis连接池的同学，将其实现为单例模式是不是，就可以从防御性编程角度出发，避免其他同学实现其他模块的时候，也只会用同一个实例化的Redis连接池，这就是我认为单例的好处之一。模式变为了如下:

我们还是从连接池的角度出发，接着看一个多例模式的场景。

多例模式的一个场景

有了上一个章节做铺垫，我们应该理解了单例模式的重要任务，就是只实例化一个对象。而多例模式顾名思义，就是实例化多个对象。这么一听，是不是就是可以直接实例化对象了？不是的。多例模式一般实例化的对象是有有限的数量，每一个实例的对象一般都关联一个索引的Key，根据Key的只会构造/对应一个实例化对象。是不是这么说还有点抽象，我们用一个样例来阐述阐述下。在SaaS环境中，经常会切分为多个服务，在不同的机器运行，当你所编写的服务要访问另一个服务A，http是常见的一种方式，于是你实现了一个http的连接池（准确来说应该tcp连接池，http相当于基于tcp的一个应用封装），这个连接池只实例化了一个对象在应用程序中专门用来访问服务A，于是这位同学先将这个连接池做成了一个单例模式。

但是这个时候又出现了一个需求，需要访问服务B于是结构变成了这样, 两个连接池。这两个连接池有什么共同特点？其实对于对象的接口和方法实现都是一样的，唯一不一样的就是连接地址。那么这个时候，单例模式肯定不能满足了，单例模式本来是为了整个进程只有一个实例访问服务A，那么这个时候是不是就可以有两个实例了，一个连接池实例用来访问服务A，一个连接池实例访问服务B。这也就是我们要实现的多例模式，而上面所说的Key，你就可以定义为ServiceA和ServiceB, 分别对应两个实例化的连接池，内部采用map存储查找。

根据上面描述，可以实现为如下图所示。关于代码实现也比较简单，我们接着来看下一个章节：

多例模式的实现

先画出类图，主要差别于单例模式的是，采用unordered_map存储多个实例，然后使用strInstanceKey去查询关联的实例，如果没有创建则创建相应的实例。

以下是实现的一个线程安全的多例模式实现。这个实现展现了多例的细节，并不会包含HttpPool的具体实现（不是本文的重点）。代码就不逐行解析了主要挑几个点说一下:

GetInstance函数，第一个参数strInstanceKey就是用来表示一个实例的名字
GetInstance函数可变参数，通过std::forward实现完美转发，在GetInstance内部作为HttpPoolMultiton的构造函数参数。当然也可以将这些可变参数，直接写成和构造函数一样，这种完美转发主要常见于模板的实现。
生成实例使用shared_ptr管理其生命周期，通过unordered_map容器存储这些实例；相同的strInstanceKey获取的实例对象是一样的。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <unordered_map>
#include <memory>

class HttpPoolMultiton
{
public:
  using HttpPoolMultitonSPtr = std::shared_ptr<HttpPoolMultiton>;

  //Args is the constructor parameters
  template<typename... Args>
  static HttpPoolMultitonSPtr GetInstance(const std::string& strInstanceKey, Args&&... args)
{
      std::lock_guard<std::mutex> guard(m_mutex);
      if (m_mapObjects.count(strInstanceKey) == 0)
      {
        m_mapObjects.emplace(strInstanceKey, new HttpPoolMultiton(std::forward<Args>(args)...));
      }
      return m_mapObjects[strInstanceKey];
  }

  ~HttpPoolMultiton() { ; };

private:
  HttpPoolMultiton(const std::string& strHost, const unsigned short uhPort) 
  { 
    //Here need to do some initialization 
  };
  HttpPoolMultiton(const HttpPoolMultiton&) = delete;
  HttpPoolMultiton& operator= (const HttpPoolMultiton&) = delete;

private:
  static std::unordered_map<std::string, HttpPoolMultitonSPtr> m_mapObjects;
  static std::mutex       m_mutex;
};

std::unordered_map<std::string, HttpPoolMultiton::HttpPoolMultitonSPtr> HttpPoolMultiton::m_mapObjects;
std::mutex HttpPoolMultiton::m_mutex;

int main()
{
  auto httpPoolA = HttpPoolMultiton::GetInstance("ServiceA", std::string("192.168.1.1"), 7777);
  auto httpPoolA1 = HttpPoolMultiton::GetInstance("ServiceA", std::string("192.168.1.1"), 7777);
  auto httpPoolB = HttpPoolMultiton::GetInstance("ServiceB", std::string("192.168.1.2"), 8888);

  if (httpPoolA != httpPoolB)
  {
    std::cout << "httpPoolA is not be the same with httpPoolB!" << std::endl;
  }

  if (httpPoolA == httpPoolA1)
  {
    std::cout << "httpPoolA is the same with httpPoolA1!" << std::endl;
  }
  return 0;
}

本文并没有采用模板的方式实现，便于经验还不够丰富的同学查看。如果想要学习模板实现可以参照qicosmos所写的<<c++11改进我们的模式之改进单例模式>>: https://www.cnblogs.com/qicosmos/p/3145019.html。