C++中的单例模式

浏览数：21 / 时间：2015年06月08日

        单例模式也称为单件模式、单子模式，可能是使用最广泛的设计模式。其意图是保证一个类仅有一个实例，并提供一个訪问它的全局訪问点，该实例被全部程序模块共享。有非常多地方须要这种功能模块，如系统的日志输出，GUI应用必须是单鼠标，MODEM的联接须要一条且仅仅须要一条电话线，操作系统仅仅能有一个窗体管理器，一台PC连一个键盘。
       单例模式有很多种实现方法，在C++中，甚至可以直接用一个全局变量做到这一点，但这种代码显的非常不优雅。使用全局对象可以保证方便地訪问实例，可是不能保证仅仅声明一个对象——也就是说除了一个全局实例外，仍然能创建同样类的本地实例。
《设计模式》一书中给出了一种非常不错的实现，定义一个单例类，使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例，并用一个公有的静态方法获取该实例。
       单例模式通过类本身来管理其唯一实例，这样的特性提供了解决这个问题的方法。唯一的实例是类的一个普通对象，但设计这个类时，让它仅仅能创建一个实例并提供对此实例的全局訪问。唯一实例类Singleton在静态成员函数中隐藏创建实例的操作。习惯上把这个成员函数叫做Instance()，它的返回值是唯一实例的指针。

定义例如以下：

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //构造函数是私有的
	{
	}
	static CSingleton *m_pInstance;
public:
	static CSingleton * GetInstance()
	{
		if(m_pInstance == NULL)  //推断是否第一次调用
			m_pInstance = new CSingleton();
		return m_pInstance;
	}
};

用户訪问唯一实例的方法仅仅有GetInstance()成员函数。假设不通过这个函数，不论什么创建实例的尝试都将失败，由于类的构造函数是私有的。GetInstance()使用懒惰初始化，也就是说它的返回值是当这个函数首次被訪问时被创建的。这是一种防弹设计——全部GetInstance()之后的调用都返回同样实例的指针：

CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();
CSingleton* p2 = p1->GetInstance();
CSingleton & ref = * CSingleton :: GetInstance();
对GetInstance稍加改动，这个设计模板便能够适用于可变多实例情况，如一个类同意最多五个实例。

单例类CSingleton有下面特征：
它有一个指向唯一实例的静态指针m_pInstance，而且是私有的；
它有一个公有的函数，能够获取这个唯一的实例，而且在须要的时候创建该实例；
它的构造函数是私有的，这样就不能从别处创建该类的实例。
大多数时候，这种实现都不会出现故障。有经验的读者可能会问，m_pInstance指向的空间什么时候释放呢？更严重的问题是，该实例的析构函数什么时候运行？
假设在类的析构行为中有必须的操作，比方关闭文件，释放外部资源，那么上面的代码无法实现这个要求。我们须要一种方法，正常的删除该实例。
能够在程序结束时调用GetInstance()，并对返回的指针掉用delete操作。这样做能够实现功能，但不仅非常丑陋，并且easy出错。由于这种附加代码非常easy被忘记，并且也非常难保证在delete之后，没有代码再调用GetInstance函数。
一个妥善的方法是让这个类自己知道在合适的时候把自己删除，或者说把删除自己的操作挂在操作系统中的某个合适的点上，使其在恰当的时候被自己主动运行。
我们知道，程序在结束的时候，系统会自己主动析构全部的全局变量。其实，系统也会析构全部的类的静态成员变量，就像这些静态成员也是全局变量一样。利用这个特征，我们能够在单例类中定义一个这种静态成员变量，而它的唯一工作就是在析构函数中删除单例类的实例。如以下的代码中的CGarbo类（Garbo意为垃圾工人）：

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()
	{
	}
	static CSingleton *m_pInstance;
	class CGarbo   //它的唯一工作就是在析构函数中删除CSingleton的实例
	{
	public:
		~CGarbo()
		{
			if(CSingleton::m_pInstance)
				delete CSingleton::m_pInstance;
		}
	};
	static CGarbo Garbo;  //定义一个静态成员变量，程序结束时，系统会自己主动调用它的析构函数
public:
	static CSingleton * GetInstance()
	{
		if(m_pInstance == NULL)  //推断是否第一次调用
			m_pInstance = new CSingleton();
		return m_pInstance;
	}
};

类CGarbo被定义为CSingleton的私有内嵌类，以防该类被在其它地方滥用。
程序执行结束时，系统会调用CSingleton的静态成员Garbo的析构函数，该析构函数会删除单例的唯一实例。
使用这样的方法释放单例对象有下面特征：
在单例类内部定义专有的嵌套类；
在单例类内定义私有的专门用于释放的静态成员；
利用程序在结束时析构全局变量的特性，选择终于的释放时机；
使用单例的代码不须要不论什么操作，不必关心对象的释放。

进一步的讨论

可是加入一个类的静态对象，总是让人不太惬意，所以有人用例如以下方法来又一次实现单例和解决它对应的问题，代码例如以下：

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //构造函数是私有的
	{
	}
public:
	static CSingleton & GetInstance()
	{
		static CSingleton instance;   //局部静态变量
		return instance;
	}
};

使用局部静态变量，很强大的方法，全然实现了单例的特性，并且代码量更少，也不用操心单例销毁的问题。
但使用此种方法也会出现故障，当例如以下方法使用单例时问题来了，
Singleton singleton = Singleton :: GetInstance();
这么做就出现了一个类拷贝的问题，这就违背了单例的特性。产生这个问题原因在于：编译器会为类生成一个默认的构造函数，来支持类的拷贝。

最后没有办法，我们要禁止类拷贝和类赋值，禁止程序猿用这样的方式来使用单例，当时领导的意思是GetInstance()函数返回一个指针而不是返回一个引用，函数的代码改为例如以下：

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //构造函数是私有的
	{
	}
public:
	static CSingleton * GetInstance()
	{
		static CSingleton instance;   //局部静态变量
		return &instance;
	}
};

但我总觉的不好，为什么不让编译器不这么干呢。这时我才想起能够显示的声明类拷贝的构造函数，和重载 = 操作符，新的单例类例如以下：

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //构造函数是私有的
	{
	}
	CSingleton(const CSingleton &);
	CSingleton & operator = (const CSingleton &);
public:
	static CSingleton & GetInstance()
	{
		static CSingleton instance;   //局部静态变量
		return instance;
	}
};

关于Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函数，须要声明成私有的，而且仅仅声明不实现。这样，如果用上面的方式来使用单例时，无论是在友元类中还是其它的，编译器都是报错。
不知道这种单例类是否还会有问题，但在程序中这样子使用已经基本没有问题了。

考虑到线程安全、异常安全，能够做下面扩展

class Lock
{
private:       
	CCriticalSection m_cs;
public:
	Lock(CCriticalSection  cs) : m_cs(cs)
	{
		m_cs.Lock();
	}
	~Lock()
	{
		m_cs.Unlock();
	}
};

class Singleton
{
private:
	Singleton();
	Singleton(const Singleton &);
	Singleton& operator = (const Singleton &);

public:
	static Singleton *Instantialize();
	static Singleton *pInstance;
	static CCriticalSection cs;
};

Singleton* Singleton::pInstance = 0;

Singleton* Singleton::Instantialize()
{
	if(pInstance == NULL)
	{   //double check
		Lock lock(cs);           //用lock实现线程安全，用资源管理类，实现异常安全
		//使用资源管理类，在抛出异常的时候，资源管理类对象会被析构，析构总是发生的不管是由于异常抛出还是语句块结束。
		if(pInstance == NULL)
		{
			pInstance = new Singleton();
		}
	}
	return pInstance;
}

之所以在Instantialize函数里面对pInstance 是否为空做了两次推断，由于该方法调用一次就产生了对象，pInstance == NULL 大部分情况下都为false，假设依照原来的方法，每次获取实例都须要加锁，效率太低。而改进的方法仅仅须要在第一次调用的时候加锁，可大大提高效率。

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