C++中的單例模式

單例模式也稱爲單件模式、單子模式，多是使用最普遍的設計模式。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，該實例被全部程序模塊共享。有不少地方須要這樣的功能模塊，如系統的日誌輸出，GUI應用必須是單鼠標，MODEM的聯接須要一條且只須要一條電話線，操做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，甚至能夠直接用一個全局變量作到這一點，但這樣的代碼顯的很不優雅。 使用全局對象可以保證方便地訪問實例，可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，仍然能建立相同類的本地實例。

《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惟一實例，並用一個公有的靜態方法獲取該實例。

單例模式經過類自己來管理其惟一實例，這種特性提供瞭解決問題的方法。惟一的實例是類的一個普通對象，但設計這個類時，讓它只能建立一個實例並提供對此實例的全局訪問。惟一實例類Singleton在靜態成員函數中隱藏建立實例的操做。習慣上把這個成員函數叫作Instance()，它的返回值是惟一實例的指針。

定義以下：

class CSingleton

{

//其餘成員

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;

};

用戶訪問惟一實例的方法只有GetInstance()成員函數。若是不經過這個函數，任何建立實例的嘗試都將失敗，由於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建立的。這是一種防彈設計——全部GetInstance()以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，這個設計模板即可以適用於可變多實例狀況，如一個類容許最多五個實例。

 

單例類CSingleton有如下特徵：

它有一個指向惟一實例的靜態指針m_pInstance，而且是私有的；

它有一個公有的函數，能夠獲取這個惟一的實例，而且在須要的時候建立該實例；

它的構造函數是私有的，這樣就不能從別處建立該類的實例。

 

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指向的空間何時釋放呢？更嚴重的問題是，該實例的析構函數何時執行？

若是在類的析構行爲中有必須的操做，好比關閉文件，釋放外部資源，那麼上面的代碼沒法實現這個要求。咱們須要一種方法，正常的刪除該實例。

能夠在程序結束時調用GetInstance()，並對返回的指針掉用delete操做。這樣作能夠實現功能，但不只很醜陋，並且容易出錯。由於這樣的附加代碼很容易被忘記，並且也很難保證在delete以後，沒有代碼再調用GetInstance函數。

一個妥善的方法是讓這個類本身知道在合適的時候把本身刪除，或者說把刪除本身的操做掛在操做系統中的某個合適的點上，使其在恰當的時候被自動執行。

咱們知道，程序在結束的時候，系統會自動析構全部的全局變量。事實上，系統也會析構全部的類的靜態成員變量，就像這些靜態成員也是全局變量同樣。利用這個特徵，咱們能夠在單例類中定義一個這樣的靜態成員變量，而它的惟一工做就是在析構函數中刪除單例類的實例。以下面的代碼中的CGarbo類（Garbo意爲垃圾工人）：

class CSingleton

{

//其餘成員

public:

static CSingleton* GetInstance();

private:

    CSingleton(){};

    static CSingleton * m_pInstance;

class CGarbo //它的惟一工做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，以防該類被在其餘地方濫用。

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惟一實例。

使用這種方法釋放單例對象有如下特徵：

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；

使用單例的代碼不須要任何操做，沒必要關心對象的釋放。

進一步的討論

可是添加一個類的靜態對象，老是讓人不太滿意，因此有人用以下方法來重現實現單例和解決它相應的問題，代碼以下：

class CSingleton

{

    //其餘成員

    public:

        static Singleton &GetInstance()

{

    static Singleton instance;

    return instance;

}

        private:

            Singleton() {};

};

使用局部靜態變量，很是強大的方法，徹底實現了單例的特性，並且代碼量更少，也不用擔憂單例銷燬的問題。

但使用此種方法也會出現問題，當以下方法使用單例時問題來了，

Singleton singleton = Singleton :: GetInstance();

這麼作就出現了一個類拷貝的問題，這就違背了單例的特性。產生這個問題緣由在於：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，咱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，函數的代碼改成以下：

static Singleton *GetInstance()

{

static  Singleton instance;

return  &instance;

}

但我總覺的很差，爲何不讓編譯器不這麼幹呢。這時我纔想起能夠顯示的生命類拷貝的構造函數，和重載 = 操做符，新的單例類以下：

class Singleton

{

    //其餘成員

    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，須要聲明成私用的，而且只聲明不實現。這樣，若是用上面的方式來使用單例時，不論是在友元類中仍是其餘的，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。

優化Singleton類，使之適用於單線程應用

Singleton使用操做符new爲惟一實例分配存儲空間。由於new操做符是線程安全的，在多線程應用中你可使用此設計模板，可是有一個缺陷：就是在應用程序終止以前必須手工用delete摧毀實例。不然，不只致使內存溢出，還要形成不可預測的行爲，由於Singleton的析構函數將根本不會被調用。而經過使用本地靜態實例代替動態實例，單線程應用能夠很容易避免這個問題。下面是與上面的GetInstance()稍有不一樣的實現，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變得多餘而且能夠從類定義中刪除掉，與動態分配對象不一樣，靜態對象當應用程序終止時被自動銷燬掉，因此就沒必要再手動銷燬實例了。