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,并提供一个访问它的全局访问点,该实例被所有程序模块共享。有很多地方需要这样的功能模块,如系统的日志输出,GUI应用必须是单鼠标,MODEM的联接需要一条且只需要一条电话线,操作系统只能有一个窗口管理器,一台PC连一个键盘。
       单例模式有许多种实现方法,在C++中,甚至可以直接用一个全局变量做到这一点,但这样的代码显的很不优雅。 使用全局对象能够保证方便地访问实例,但是不能保证只声明一个对象——也就是说除了一个全局实例外,仍然能创建相同类的本地实例。
《设计模式》一书中给出了一种很不错的实现,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,这种特性提供了解决问题的方法。唯一的实例是类的一个普通对象,但设计这个类时,让它只能创建一个实例并提供对此实例的全局访问。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。

定义如下:

  1. class CSingleton
  2. {
  3. private:
  4. CSingleton()   //构造函数是私有的
  5. {
  6. }
  7. static CSingleton *m_pInstance;
  8. public:
  9. static CSingleton * GetInstance()
  10. {
  11. if(m_pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用
  12. m_pInstance = new CSingleton();
  13. return m_pInstance;
  14. }
  15. };

用户访问唯一实例的方法只有GetInstance()成员函数。如果不通过这个函数,任何创建实例的尝试都将失败,因为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访问时被创建的。这是一种防弹设计——所有GetInstance()之后的调用都返回相同实例的指针:

CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();
CSingleton* p2 = p1->GetInstance();
CSingleton & ref = * CSingleton :: GetInstance();
对GetInstance稍加修改,这个设计模板便可以适用于可变多实例情况,如一个类允许最多五个实例。
 
单例类CSingleton有以下特征:
它有一个指向唯一实例的静态指针m_pInstance,并且是私有的;
它有一个公有的函数,可以获取这个唯一的实例,并且在需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,这样的实现都不会出现问题。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执行?
如果在类的析构行为中有必须的操作,比如关闭文件,释放外部资源,那么上面的代码无法实现这个要求。我们需要一种方法,正常的删除该实例。
可以在程序结束时调用GetInstance(),并对返回的指针掉用delete操作。这样做可以实现功能,但不仅很丑陋,而且容易出错。因为这样的附加代码很容易被忘记,而且也很难保证在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动执行。
我们知道,程序在结束的时候,系统会自动析构所有的全局变量。事实上,系统也会析构所有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,我们可以在单例类中定义一个这样的静态成员变量,而它的唯一工作就是在析构函数中删除单例类的实例。如下面的代码中的CGarbo类(Garbo意为垃圾工人):

  1. class CSingleton
  2. {
  3. private:
  4. CSingleton()
  5. {
  6. }
  7. static CSingleton *m_pInstance;
  8. class CGarbo   //它的唯一工作就是在析构函数中删除CSingleton的实例
  9. {
  10. public:
  11. ~CGarbo()
  12. {
  13. if(CSingleton::m_pInstance)
  14. delete CSingleton::m_pInstance;
  15. }
  16. };
  17. static CGarbo Garbo;  //定义一个静态成员变量,程序结束时,系统会自动调用它的析构函数
  18. public:
  19. static CSingleton * GetInstance()
  20. {
  21. if(m_pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用
  22. m_pInstance = new CSingleton();
  23. return m_pInstance;
  24. }
  25. };

类CGarbo被定义为CSingleton的私有内嵌类,以防该类被在其他地方滥用。
程序运行结束时,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。
使用这种方法释放单例对象有以下特征:
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,选择最终的释放时机;
使用单例的代码不需要任何操作,不必关心对象的释放。

进一步的讨论

但是添加一个类的静态对象,总是让人不太满意,所以有人用如下方法来重新实现单例和解决它相应的问题,代码如下:

  1. class CSingleton
  2. {
  3. private:
  4. CSingleton()   //构造函数是私有的
  5. {
  6. }
  7. public:
  8. static CSingleton & GetInstance()
  9. {
  10. static CSingleton instance;   //局部静态变量
  11. return instance;
  12. }
  13. };

使用局部静态变量,非常强大的方法,完全实现了单例的特性,而且代码量更少,也不用担心单例销毁的问题。
但使用此种方法也会出现问题,当如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,禁止程序员用这种方式来使用单例,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,函数的代码改为如下:

  1. class CSingleton
  2. {
  3. private:
  4. CSingleton()   //构造函数是私有的
  5. {
  6. }
  7. public:
  8. static CSingleton * GetInstance()
  9. {
  10. static CSingleton instance;   //局部静态变量
  11. return &instance;
  12. }
  13. };

但我总觉的不好,为什么不让编译器不这么干呢。这时我才想起可以显示的声明类拷贝的构造函数,和重载 = 操作符,新的单例类如下:

  1. class CSingleton
  2. {
  3. private:
  4. CSingleton()   //构造函数是私有的
  5. {
  6. }
  7. CSingleton(const CSingleton &);
  8. CSingleton & operator = (const CSingleton &);
  9. public:
  10. static CSingleton & GetInstance()
  11. {
  12. static CSingleton instance;   //局部静态变量
  13. return instance;
  14. }
  15. };

关于Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函数,需要声明成私有的,并且只声明不实现。这样,如果用上面的方式来使用单例时,不管是在友元类中还是其他的,编译器都是报错。
不知道这样的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,可以做以下扩展

  1. class Lock
  2. {
  3. private:
  4. CCriticalSection m_cs;
  5. public:
  6. Lock(CCriticalSection  cs) : m_cs(cs)
  7. {
  8. m_cs.Lock();
  9. }
  10. ~Lock()
  11. {
  12. m_cs.Unlock();
  13. }
  14. };
  15. class Singleton
  16. {
  17. private:
  18. Singleton();
  19. Singleton(const Singleton &);
  20. Singleton& operator = (const Singleton &);
  21. public:
  22. static Singleton *Instantialize();
  23. static Singleton *pInstance;
  24. static CCriticalSection cs;
  25. };
  26. Singleton* Singleton::pInstance = 0;
  27. Singleton* Singleton::Instantialize()
  28. {
  29. if(pInstance == NULL)
  30. {   //double check
  31. Lock lock(cs);           //用lock实现线程安全,用资源管理类,实现异常安全
  32. //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,析构总是发生的无论是因为异常抛出还是语句块结束。
  33. if(pInstance == NULL)
  34. {
  35. pInstance = new Singleton();
  36. }
  37. }
  38. return pInstance;
  39. }

之所以在Instantialize函数里面对pInstance 是否为空做了两次判断,因为该方法调用一次就产生了对象,pInstance == NULL 大部分情况下都为false,如果按照原来的方法,每次获取实例都需要加锁,效率太低。而改进的方法只需要在第一次 调用的时候加锁,可大大提高效率。

转自: http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7460019

该文作者使用C++实现了单例模式,并进一步思考单例模式的如何在合适的时间析构的问题。

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