應用廣泛的C++單例模式

C++中的單例模式

單例模式也稱爲單件模式、單子模式，可能是使用最廣泛的設計模式。其意圖是保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點，該實例被所有程序模塊共享。有很多地方需要這樣的功能模塊，如系統的日誌輸出，GUI應用必須是單鼠標，MODEM的聯接需要一條且只需要一條電話線，操作系統只能有一個窗口管理器，一臺PC連一個鍵盤。

 

單例模式有許多種實現方法，在C++中，甚至可以直接用一個全局變量做到這一點，但這樣的代碼顯的很不優雅。 使用全局對象能夠保證方便地訪問實例，但是不能保證只聲明一個對象——也就是說除了一個全局實例外，仍然能創建相同類的本地實例。

《設計模式》一書中給出了一種很不錯的實現，定義一個單例類，使用類的私有靜態指針變量指向類的唯一實例，並用一個公有的靜態方法獲取該實例。

單例模式通過類本身來管理其唯一實例，這種特性提供瞭解決問題的方法。唯一的實例是類的一個普通對象，但設計這個類時，讓它只能創建一個實例並提供對此實例的全局訪問。唯一實例類Singleton在靜態成員函數中隱藏創建實例的操作。習慣上把這個成員函數叫做Instance()，它的返回值是唯一實例的指針。

定義如下：

class CSingleton

{

//其他成員

public:

static CSingleton* GetInstance()

{

      if ( m_pInstance == NULL )  //判斷是否第一次調用

        m_pInstance = new CSingleton();

        return m_pInstance;

}

private:

    CSingleton(){};

    static CSingleton * m_pInstance;

};

用戶訪問唯一實例的方法只有GetInstance()成員函數。如果不通過這個函數，任何創建實例的嘗試都將失敗，因爲類的構造函數是私有的。GetInstance()使用懶惰初始化，也就是說它的返回值是當這個函數首次被訪問時被創建的。這是一種防彈設計——所有GetInstance()之後的調用都返回相同實例的指針：

CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();

CSingleton* p2 = p1->GetInstance();

CSingleton & ref = * CSingleton :: GetInstance();

對GetInstance稍加修改，這個設計模板便可以適用於可變多實例情況，如一個類允許最多五個實例。

 

單例類CSingleton有以下特徵：

它有一個指向唯一實例的靜態指針m_pInstance，並且是私有的；

它有一個公有的函數，可以獲取這個唯一的實例，並且在需要的時候創建該實例；

它的構造函數是私有的，這樣就不能從別處創建該類的實例。

 

大多數時候，這樣的實現都不會出現問題。有經驗的讀者可能會問，m_pInstance指向的空間什麼時候釋放呢？更嚴重的問題是，該實例的析構函數什麼時候執行？

如果在類的析構行爲中有必須的操作，比如關閉文件，釋放外部資源，那麼上面的代碼無法實現這個要求。我們需要一種方法，正常的刪除該實例。

可以在程序結束時調用GetInstance()，並對返回的指針掉用delete操作。這樣做可以實現功能，但不僅很醜陋，而且容易出錯。因爲這樣的附加代碼很容易被忘記，而且也很難保證在delete之後，沒有代碼再調用GetInstance函數。

一個妥善的方法是讓這個類自己知道在合適的時候把自己刪除，或者說把刪除自己的操作掛在操作系統中的某個合適的點上，使其在恰當的時候被自動執行。

我們知道，程序在結束的時候，系統會自動析構所有的全局變量。事實上，系統也會析構所有的類的靜態成員變量，就像這些靜態成員也是全局變量一樣。利用這個特徵，我們可以在單例類中定義一個這樣的靜態成員變量，而它的唯一工作就是在析構函數中刪除單例類的實例。如下面的代碼中的CGarbo類（Garbo意爲垃圾工人）：

class CSingleton

{

//其他成員

public:

static CSingleton* GetInstance();

private:

    CSingleton(){};

    static CSingleton * m_pInstance;

class CGarbo //它的唯一工作就是在析構函數中刪除CSingleton的實例

{

        public:

            ~CGarbo()

            {

                if( CSingleton::m_pInstance )

                  delete CSingleton::m_pInstance;

}

         }

        Static CGabor Garbo; //定義一個靜態成員，程序結束時，系統會自動調用它的析構函數

}；

類CGarbo被定義爲CSingleton的私有內嵌類，以防該類被在其他地方濫用。

程序運行結束時，系統會調用CSingleton的靜態成員Garbo的析構函數，該析構函數會刪除單例的唯一實例。

使用這種方法釋放單例對象有以下特徵：

在單例類內部定義專有的嵌套類；

在單例類內定義私有的專門用於釋放的靜態成員；

利用程序在結束時析構全局變量的特性，選擇最終的釋放時機；

使用單例的代碼不需要任何操作，不必關心對象的釋放。

(出處：http://hi.baidu.com/csudada/blog/item/208fb0f56bb61266dcc47466.html)

進一步的討論

但是添加一個類的靜態對象，總是讓人不太滿意，所以有人用如下方法來重現實現單例和解決它相應的問題，代碼如下：

class CSingleton

{

    //其他成員

    public:

        static Singleton &GetInstance()

{

    static Singleton instance;

    return instance;

}

        private:

            Singleton() {};

};

使用局部靜態變量，非常強大的方法，完全實現了單例的特性，而且代碼量更少，也不用擔心單例銷燬的問題。

但使用此種方法也會出現問題，當如下方法使用單例時問題來了，

Singleton singleton = Singleton :: GetInstance();

這麼做就出現了一個類拷貝的問題，這就違背了單例的特性。產生這個問題原因在於：編譯器會爲類生成一個默認的構造函數，來支持類的拷貝。

最後沒有辦法，我們要禁止類拷貝和類賦值，禁止程序員用這種方式來使用單例，當時領導的意思是GetInstance()函數返回一個指針而不是返回一個引用，函數的代碼改爲如下：

static Singleton *GetInstance()

{

static  Singleton instance;

return  &instance;

}

但我總覺的不好，爲什麼不讓編譯器不這麼幹呢。這時我纔想起可以顯示的生命類拷貝的構造函數，和重載 = 操作符，新的單例類如下：

class Singleton

{

    //其他成員

    public:

        static Singleton &GetInstance()

{

    static Singleton instance;

    return instance;

}

        private:

            Singleton() {};

            Singleton(const Singleton);

            Singleton & operate = (const Singleton&);

};

關於Singleton(const Singleton); 和 Singleton & operate = (const Singleton&); 函數，需要聲明成私用的，並且只聲明不實現。這樣，如果用上面的方式來使用單例時，不管是在友元類中還是其他的，編譯器都是報錯。

不知道這樣的單例類是否還會有問題，但在程序中這樣子使用已經基本沒有問題了。

（出處：http://snailbing.blogbus.com/logs/45398975.html）

優化Singleton類，使之適用於單線程應用

Singleton使用操作符new爲唯一實例分配存儲空間。因爲new操作符是線程安全的，在多線程應用中你可以使用此設計模板，但是有一個缺陷：就是在應用程序終止之前必須手工用delete摧毀實例。否則，不僅導致內存溢出，還要造成不可預測的行爲，因爲Singleton的析構函數將根本不會被調用。而通過使用本地靜態實例代替動態實例，單線程應用可以很容易避免這個問題。下面是與上面的GetInstance()稍有不同的實現，這個實現專門用於單線程應用：

CSingleton* CSingleton :: GetInstance()

{

    static CSingleton inst；

    return &inst；

}

本地靜態對象實例inst是第一次調用GetInstance()時被構造，一直保持活動狀態直到應用程序終止，指針m_pInstance變得多餘並且可以從類定義中刪除掉，與動態分配對象不同，靜態對象當應用程序終止時被自動銷燬掉，所以就不必再手動銷燬實例了。

（出處：http://blog.csdn.net/pingnanlee/archive/2009/04/20/4094313.aspx）

代碼學習（從http://apps.hi.baidu.com/share/detail/32113057引用）

//版本一

#include <iostream>

using namespace std;

//單例類的C++實現

class Singleton

{

private:

       Singleton();//注意:構造方法私有



       static Singleton* instance;//惟一實例

       int var;//成員變量(用於測試)

public:

       static Singleton* GetInstance();//工廠方法(用來獲得實例)

       int getVar();//獲得var的值

       void setVar(int);//設置var的值

       virtual ~Singleton();

};

//構造方法實現

Singleton::Singleton()

{

       this->var = 20;

       cout<<"Singleton Constructor"<<endl;

}

Singleton::~Singleton()

{

       cout<<"Singleton Destructor"<<endl;

       //delete instance;

}

//初始化靜態成員

/*Singleton* Singleton::instance=NULL;

Singleton* Singleton::GetInstance()

{

       if(NULL==instance)

              instance=new Singleton();

       return instance;

}*/

Singleton* Singleton::instance=new Singleton;

Singleton* Singleton::GetInstance()

{

       return instance;

}

//seter && getter含數

int Singleton::getVar()

{

       return this->var;

}

void Singleton::setVar(int var)

{

       this->var = var;

}

//main

void main()

{

       Singleton *ton1 = Singleton::GetInstance();

       Singleton *ton2 = Singleton::GetInstance();

      if(ton1==ton2)

              cout<<"ton1==ton2"<<endl;

       cout<<"ton1 var = "<<ton1->getVar()<<endl;

       cout<<"ton2 var = "<<ton2->getVar()<<endl;

       ton1->setVar(150);

       cout<<"ton1 var = "<<ton1->getVar()<<endl;

       cout<<"ton2 var = "<<ton2->getVar()<<endl;

       delete Singleton::GetInstance();//必須顯式地刪除

}