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单例模式的C++实现

2015/08/03 C和C++基础

单例模式的定义

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。

通过单例模式，可以做到：

  1. 确保一个类只有一个实例被建立

  2. 提供了一个对对象的全局访问指针

  3. 在不影响单例类的客户端的情况下允许将来有多个实例

懒汉式单例模式

#include <iostream>
using namespace std;

class CSingleton
{
public:
	static CSingleton* GetInstance(){
		if (m_pInstance == NULL ){ 
			m_pInstance = new CSingleton();
			cout<<"create success!!"<<endl;
		}
		return m_pInstance;
	}
private:
    CSingleton(){};
    static CSingleton* m_pInstance;
};

CSingleton* CSingleton::m_pInstance=NULL;            //初始化静态变量

int main(){
	CSingleton* p1 = CSingleton::GetInstance();
	system("pause");
}

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();

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）：

#include <iostream>
using namespace std;

class CSingleton
{
private:
    CSingleton(){};
	static CSingleton *m_pInstance;  
    class CGarbo{                             //它的唯一工作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 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  
public:
	static CSingleton* GetInstance(){
		if (m_pInstance == NULL ){ 
			m_pInstance = new CSingleton();
			cout<<"create success!!"<<endl;
		}
		return m_pInstance;
	}
};

CSingleton* CSingleton::m_pInstance=NULL;     //初始化静态变量

int main(){
	CSingleton* p1 = CSingleton::GetInstance();
	system("pause");
}

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。

如果没有考虑多线程问题，上面的例子是可以用的。如果要考虑多线程问题，懒汉式如果在创建实例对象时不加上synchronized则会导致对对象的访问不是线程安全的，因此还要必须进一步进行改进。

线程安全的通俗解释：不管多个线程是怎样的执行顺序和优先级，或是wait，sleep，join等控制方式，如果一个类在多线程访问下运转一切正常，并且访问类不需要进行额外的同步处理或者协调，那么我们就认为它是线程安全的。线程安全的类应当封装了所有必要的同步操作，调用者无需额外的同步。还有一点：无状态的类永远是线程安全的。

在懒汉式的单例类中，其实有两个状态，单例未初始化和单例已经初始化。假设单例还未初始化，有两个线程同时调用GetInstance方法，这时执行 m_pInstance == NULL 肯定为真，然后两个线程都初始化一个单例，最后得到的指针并不是指向同一个地方，不满足单例类的定义了，所以饿汉式的写法会出现线程安全的问题！在多线程环境下，要对其进行修改。

懒汉模式多线程下的单例模式：

class Singleton
{
private:
    static Singleton* m_instance;
    Singleton(){}
public:
    static Singleton* getInstance();
};
 
Singleton* Singleton::getInstance(){
    if(NULL == m_instance){
        Lock();                              //上锁借用其它类来实现，如boost
        if(NULL == m_instance){
            m_instance = new Singleton;
        }
        UnLock();
    }
    return m_instance;
}

饿汉式单例模式

class CSingleton  {  
private:  
    CSingleton()   //构造函数是私有的  
    {  
    }  
public:  
    static CSingleton & GetInstance(){  
        static CSingleton instance;   //局部静态变量  
        return instance;  
    }  
};

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。因为静态初始化在程序开始时，也就是进入主函数之前，由主线程以单线程方式完成了初始化，所以静态初始化实例保证了线程安全性。在性能要求比较高时，就可以使用这种方式，从而避免频繁的加锁和解锁造成的资源浪费。

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，于是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：

class CSingleton  
{  
private:  
    CSingleton()   //构造函数是私有的  
    {  
    }  
public:  
    static CSingleton * GetInstance()  
    {  
        static CSingleton instance;   //局部静态变量  
        return &instance;  
    }  
};

其实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：

class CSingleton  
{  
private:  
    CSingleton()   //构造函数是私有的  
    {  
    }  
    CSingleton(const CSingleton &);  
    CSingleton & operator = (const CSingleton &);  
public:  
    static CSingleton & GetInstance()  
    {  
        static CSingleton instance;   //局部静态变量  
        return instance;  
    }  
};

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