C++中的单例模式

单例模式也称为单件模式、单子模式，多是使用最普遍的设计模式。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，该实例被全部程序模块共享。有不少地方须要这样的功能模块，如系统的日志输出，GUI应用必须是单鼠标，MODEM的联接须要一条且只须要一条电话线，操做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，甚至能够直接用一个全局变量作到这一点，但这样的代码显的很不优雅。 使用全局对象可以保证方便地访问实例，可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，仍然能建立相同类的本地实例。

《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惟一实例，并用一个公有的静态方法获取该实例。

单例模式经过类自己来管理其惟一实例，这种特性提供了解决问题的方法。惟一的实例是类的一个普通对象，但设计这个类时，让它只能建立一个实例并提供对此实例的全局访问。惟一实例类Singleton在静态成员函数中隐藏建立实例的操做。习惯上把这个成员函数叫作Instance()，它的返回值是惟一实例的指针。

定义以下：

class CSingleton

{

//其余成员

public:

static CSingleton* GetInstance()

{

      if ( m_pInstance == NULL )  //判断是否第一次调用

        m_pInstance = new CSingleton();

        return m_pInstance;

}

private:

    CSingleton(){};

    static CSingleton * m_pInstance;

};

用户访问惟一实例的方法只有GetInstance()成员函数。若是不经过这个函数，任何建立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访问时被建立的。这是一种防弹设计——全部GetInstance()以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，这个设计模板即可以适用于可变多实例状况，如一个类容许最多五个实例。

 

单例类CSingleton有如下特征：

它有一个指向惟一实例的静态指针m_pInstance，而且是私有的；

它有一个公有的函数，能够获取这个惟一的实例，而且在须要的时候建立该实例；

它的构造函数是私有的，这样就不能从别处建立该类的实例。

 

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指向的空间何时释放呢？更严重的问题是，该实例的析构函数何时执行？

若是在类的析构行为中有必须的操做，好比关闭文件，释放外部资源，那么上面的代码没法实现这个要求。咱们须要一种方法，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操做。这样作能够实现功能，但不只很丑陋，并且容易出错。由于这样的附加代码很容易被忘记，并且也很难保证在delete以后，没有代码再调用GetInstance函数。

一个妥善的方法是让这个类本身知道在合适的时候把本身删除，或者说把删除本身的操做挂在操做系统中的某个合适的点上，使其在恰当的时候被自动执行。

咱们知道，程序在结束的时候，系统会自动析构全部的全局变量。事实上，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同样。利用这个特征，咱们能够在单例类中定义一个这样的静态成员变量，而它的惟一工做就是在析构函数中删除单例类的实例。以下面的代码中的CGarbo类（Garbo意为垃圾工人）：

class CSingleton

{

//其余成员

public:

static CSingleton* GetInstance();

private:

    CSingleton(){};

    static CSingleton * m_pInstance;

class CGarbo //它的惟一工做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 CGabor Garbo; //定义一个静态成员，程序结束时，系统会自动调用它的析构函数

}；

类CGarbo被定义为CSingleton的私有内嵌类，以防该类被在其余地方滥用。

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惟一实例。

使用这种方法释放单例对象有如下特征：

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；

使用单例的代码不须要任何操做，没必要关心对象的释放。

进一步的讨论

可是添加一个类的静态对象，老是让人不太满意，因此有人用以下方法来重现实现单例和解决它相应的问题，代码以下：

class CSingleton

{

    //其余成员

    public:

        static Singleton &GetInstance()

{

    static Singleton instance;

    return instance;

}

        private:

            Singleton() {};

};

使用局部静态变量，很是强大的方法，彻底实现了单例的特性，并且代码量更少，也不用担忧单例销毁的问题。

但使用此种方法也会出现问题，当以下方法使用单例时问题来了，

Singleton singleton = Singleton :: GetInstance();

这么作就出现了一个类拷贝的问题，这就违背了单例的特性。产生这个问题缘由在于：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，咱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，函数的代码改成以下：

static Singleton *GetInstance()

{

static  Singleton instance;

return  &instance;

}

但我总觉的很差，为何不让编译器不这么干呢。这时我才想起能够显示的生命类拷贝的构造函数，和重载 = 操做符，新的单例类以下：

class Singleton

{

    //其余成员

    public:

        static Singleton &GetInstance()

{

    static Singleton instance;

    return instance;

}

        private:

            Singleton() {};

            Singleton(const Singleton);

            Singleton & operate = (const Singleton&);

};

关于Singleton(const Singleton); 和 Singleton & operate = (const Singleton&); 函数，须要声明成私用的，而且只声明不实现。这样，若是用上面的方式来使用单例时，不论是在友元类中仍是其余的，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。

优化Singleton类，使之适用于单线程应用

Singleton使用操做符new为惟一实例分配存储空间。由于new操做符是线程安全的，在多线程应用中你可使用此设计模板，可是有一个缺陷：就是在应用程序终止以前必须手工用delete摧毁实例。不然，不只致使内存溢出，还要形成不可预测的行为，由于Singleton的析构函数将根本不会被调用。而经过使用本地静态实例代替动态实例，单线程应用能够很容易避免这个问题。下面是与上面的GetInstance()稍有不一样的实现，这个实现专门用于单线程应用：

CSingleton* CSingleton :: GetInstance()

{

    static CSingleton inst；

    return &inst；

}

本地静态对象实例inst是第一次调用GetInstance()时被构造，一直保持活动状态直到应用程序终止，指针m_pInstance变得多余而且能够从类定义中删除掉，与动态分配对象不一样，静态对象当应用程序终止时被自动销毁掉，因此就没必要再手动销毁实例了。