C++中的單例模式介紹

2020-01-26 16:20:18

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供稿：網友

有很多地方需要這樣的功能模塊，如系統的日志輸出，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，并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，這種特性提供了解決問題的方法。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并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：

復制代碼代碼如下:

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，因為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()之后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于可變多實例情況，如一個類允許最多五個實例。

單例類CSingleton有以下特征：

它有一個指向唯一實例的靜態指針m_pInstance，并且是私有的；
它有一個公有的函數，可以獲取這個唯一的實例，并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指向的空間什么時候釋放呢？更嚴重的問題是，該實例的析構函數什么時候執行？
如果在類的析構行為中有必須的操作，比如關閉文件，釋放外部資源，那么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()，并對返回的指針掉用delete操作。這樣做可以實現功能，但不僅很丑陋，而且容易出錯。因為這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。利用這個特征，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意為垃圾工人）：

復制代碼代碼如下:

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被定義為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征：
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于釋放的靜態成員；
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。

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：

復制代碼代碼如下:

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，也不用擔心單例銷毀的問題。
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();

這么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于：編譯器會為類生成一個默認的構造函數，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，函數的代碼改為如下：

復制代碼代碼如下:

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。這時我才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：

復制代碼代碼如下:

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

關于Singleton(const Singleton); 和 Singleton & operate = (const Singleton&); 函數，需要聲明成私用的，并且只聲明不實現。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。

優化Singleton類，使之適用于單線程應用
Singleton使用操作符new為唯一實例分配存儲空間。因為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為，因為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，這個實現專門用于單線程應用：

復制代碼代碼如下:

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變得多余并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毀掉，所以就不必再手動銷毀實例了。

代碼學習

復制代碼代碼如下:

//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(用于測試)   
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
}   