C++中的單例模式介紹

更新時(shí)間：2013年03月23日 12:34:40 作者：

單例模式也稱為單件模式、單子模式，可能是使用最廣泛的設(shè)計(jì)模式。其意圖是保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)，該實(shí)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(tǒng)的日志輸出，GUI應(yīng)用必須是單鼠標(biāo)，MODEM的聯(lián)接需要一條且只需要一條電話線，操作系統(tǒng)只能有一個(gè)窗口管理器，一臺(tái)PC連一個(gè)鍵盤。

單例模式有許多種實(shí)現(xiàn)方法，在C++中，甚至可以直接用一個(gè)全局變量做到這一點(diǎn)，但這樣的代碼顯的很不優(yōu)雅。使用全局對(duì)象能夠保證方便地訪問實(shí)例，但是不能保證只聲明一個(gè)對(duì)象——也就是說除了一個(gè)全局實(shí)例外，仍然能創(chuàng)建相同類的本地實(shí)例。

《設(shè)計(jì)模式》一書中給出了一種很不錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)，定義一個(gè)單例類，使用類的私有靜態(tài)指針變量指向類的唯一實(shí)例，并用一個(gè)公有的靜態(tài)方法獲取該實(shí)例。

單例模式通過類本身來管理其唯一實(shí)例，這種特性提供了解決問題的方法。唯一的實(shí)例是類的一個(gè)普通對(duì)象，但設(shè)計(jì)這個(gè)類時(shí)，讓它只能創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例并提供對(duì)此實(shí)例的全局訪問。唯一實(shí)例類Singleton在靜態(tài)成員函數(shù)中隱藏創(chuàng)建實(shí)例的操作。習(xí)慣上把這個(gè)成員函數(shù)叫做Instance()，它的返回值是唯一實(shí)例的指針。
定義如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

class CSingleton
{
//其他成員
public:
static CSingleton* GetInstance()
{
      if ( m_pInstance == NULL )  //判斷是否第一次調(diào)用
        m_pInstance = new CSingleton();
        return m_pInstance;
}
private:
    CSingleton(){};
    static CSingleton * m_pInstance;
};

用戶訪問唯一實(shí)例的方法只有GetInstance()成員函數(shù)。如果不通過這個(gè)函數(shù)，任何創(chuàng)建實(shí)例的嘗試都將失敗，因?yàn)轭惖臉?gòu)造函數(shù)是私有的。GetInstance()使用懶惰初始化，也就是說它的返回值是當(dāng)這個(gè)函數(shù)首次被訪問時(shí)被創(chuàng)建的。這是一種防彈設(shè)計(jì)——所有GetInstance()之后的調(diào)用都返回相同實(shí)例的指針：

CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();
CSingleton* p2 = p1->GetInstance();
CSingleton & ref = * CSingleton :: GetInstance();

對(duì)GetInstance稍加修改，這個(gè)設(shè)計(jì)模板便可以適用于可變多實(shí)例情況，如一個(gè)類允許最多五個(gè)實(shí)例。

單例類CSingleton有以下特征：

它有一個(gè)指向唯一實(shí)例的靜態(tài)指針m_pInstance，并且是私有的；
它有一個(gè)公有的函數(shù)，可以獲取這個(gè)唯一的實(shí)例，并且在需要的時(shí)候創(chuàng)建該實(shí)例；
它的構(gòu)造函數(shù)是私有的，這樣就不能從別處創(chuàng)建該類的實(shí)例。

大多數(shù)時(shí)候，這樣的實(shí)現(xiàn)都不會(huì)出現(xiàn)問題。有經(jīng)驗(yàn)的讀者可能會(huì)問，m_pInstance指向的空間什么時(shí)候釋放呢？更嚴(yán)重的問題是，該實(shí)例的析構(gòu)函數(shù)什么時(shí)候執(zhí)行？
如果在類的析構(gòu)行為中有必須的操作，比如關(guān)閉文件，釋放外部資源，那么上面的代碼無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。我們需要一種方法，正常的刪除該實(shí)例。

可以在程序結(jié)束時(shí)調(diào)用GetInstance()，并對(duì)返回的指針掉用delete操作。這樣做可以實(shí)現(xiàn)功能，但不僅很丑陋，而且容易出錯(cuò)。因?yàn)檫@樣的附加代碼很容易被忘記，而且也很難保證在delete之后，沒有代碼再調(diào)用GetInstance函數(shù)。
一個(gè)妥善的方法是讓這個(gè)類自己知道在合適的時(shí)候把自己刪除，或者說把刪除自己的操作掛在操作系統(tǒng)中的某個(gè)合適的點(diǎn)上，使其在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候被自動(dòng)執(zhí)行。
我們知道，程序在結(jié)束的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)析構(gòu)所有的全局變量。事實(shí)上，系統(tǒng)也會(huì)析構(gòu)所有的類的靜態(tài)成員變量，就像這些靜態(tài)成員也是全局變量一樣。利用這個(gè)特征，我們可以在單例類中定義一個(gè)這樣的靜態(tài)成員變量，而它的唯一工作就是在析構(gòu)函數(shù)中刪除單例類的實(shí)例。如下面的代碼中的CGarbo類（Garbo意為垃圾工人）：

復(fù)制代碼代碼如下:

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(gòu)函數(shù)中刪除CSingleton的實(shí)例
{
        public:
            ~CGarbo()
            {
                if( CSingleton::m_pInstance )
                  delete CSingleton::m_pInstance;
}
         }
        Static CGabor Garbo; //定義一個(gè)靜態(tài)成員，程序結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用它的析構(gòu)函數(shù)
}；

類CGarbo被定義為CSingleton的私有內(nèi)嵌類，以防該類被在其他地方濫用。
程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用CSingleton的靜態(tài)成員Garbo的析構(gòu)函數(shù)，該析構(gòu)函數(shù)會(huì)刪除單例的唯一實(shí)例。
使用這種方法釋放單例對(duì)象有以下特征：
在單例類內(nèi)部定義專有的嵌套類；
在單例類內(nèi)定義私有的專門用于釋放的靜態(tài)成員；
利用程序在結(jié)束時(shí)析構(gòu)全局變量的特性，選擇最終的釋放時(shí)機(jī)；
使用單例的代碼不需要任何操作，不必關(guān)心對(duì)象的釋放。

進(jìn)一步的討論

但是添加一個(gè)類的靜態(tài)對(duì)象，總是讓人不太滿意，所以有人用如下方法來重現(xiàn)實(shí)現(xiàn)單例和解決它相應(yīng)的問題，代碼如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

class CSingleton
{
    //其他成員
    public:
        static Singleton &GetInstance()
{
    static Singleton instance;
    return instance;
}
        private:
            Singleton() {};
};

使用局部靜態(tài)變量，非常強(qiáng)大的方法，完全實(shí)現(xiàn)了單例的特性，而且代碼量更少，也不用擔(dān)心單例銷毀的問題。
但使用此種方法也會(huì)出現(xiàn)問題，當(dāng)如下方法使用單例時(shí)問題來了，

Singleton singleton = Singleton :: GetInstance();

這么做就出現(xiàn)了一個(gè)類拷貝的問題，這就違背了單例的特性。產(chǎn)生這個(gè)問題原因在于：編譯器會(huì)為類生成一個(gè)默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，來支持類的拷貝。
最后沒有辦法，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(dāng)時(shí)領(lǐng)導(dǎo)的意思是GetInstance()函數(shù)返回一個(gè)指針而不是返回一個(gè)引用，函數(shù)的代碼改為如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

static Singleton *GetInstance()
{
static  Singleton instance;
return  &instance;
}

但我總覺的不好，為什么不讓編譯器不這么干呢。這時(shí)我才想起可以顯示的生命類拷貝的構(gòu)造函數(shù)，和重載 = 操作符，新的單例類如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

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(guān)于Singleton(const Singleton); 和 Singleton & operate = (const Singleton&); 函數(shù)，需要聲明成私用的，并且只聲明不實(shí)現(xiàn)。這樣，如果用上面的方式來使用單例時(shí)，不管是在友元類中還是其他的，編譯器都是報(bào)錯(cuò)。
不知道這樣的單例類是否還會(huì)有問題，但在程序中這樣子使用已經(jīng)基本沒有問題了。

優(yōu)化Singleton類，使之適用于單線程應(yīng)用
Singleton使用操作符new為唯一實(shí)例分配存儲(chǔ)空間。因?yàn)閚ew操作符是線程安全的，在多線程應(yīng)用中你可以使用此設(shè)計(jì)模板，但是有一個(gè)缺陷：就是在應(yīng)用程序終止之前必須手工用delete摧毀實(shí)例。否則，不僅導(dǎo)致內(nèi)存溢出，還要造成不可預(yù)測(cè)的行為，因?yàn)镾ingleton的析構(gòu)函數(shù)將根本不會(huì)被調(diào)用。而通過使用本地靜態(tài)實(shí)例代替動(dòng)態(tài)實(shí)例，單線程應(yīng)用可以很容易避免這個(gè)問題。下面是與上面的GetInstance()稍有不同的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)現(xiàn)專門用于單線程應(yīng)用：

復(fù)制代碼代碼如下:

CSingleton* CSingleton :: GetInstance()
{
    static CSingleton inst；
    return &inst；
}

本地靜態(tài)對(duì)象實(shí)例inst是第一次調(diào)用GetInstance()時(shí)被構(gòu)造，一直保持活動(dòng)狀態(tài)直到應(yīng)用程序終止，指針m_pInstance變得多余并且可以從類定義中刪除掉，與動(dòng)態(tài)分配對(duì)象不同，靜態(tài)對(duì)象當(dāng)應(yīng)用程序終止時(shí)被自動(dòng)銷毀掉，所以就不必再手動(dòng)銷毀實(shí)例了。

代碼學(xué)習(xí)

復(fù)制代碼代碼如下:

//版本一
#include <iostream>   
using namespace std;   
//單例類的C++實(shí)現(xiàn)   
class Singleton   
{   
private:   
       Singleton();//注意:構(gòu)造方法私有   

       static Singleton* instance;//惟一實(shí)例   
       int var;//成員變量(用于測(cè)試)   
public:   
       static Singleton* GetInstance();//工廠方法(用來獲得實(shí)例)   
       int getVar();//獲得var的值   
       void setVar(int);//設(shè)置var的值   
       virtual ~Singleton();
};   
//構(gòu)造方法實(shí)現(xiàn)   
Singleton::Singleton()   
{   
       this->var = 20;   
       cout<<"Singleton Constructor"<<endl;   
}   
Singleton::~Singleton()   
{   
       cout<<"Singleton Destructor"<<endl;
       //delete instance;   
}   
//初始化靜態(tài)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(shù)   
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
}   