C++中的单例模式

http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7460019

       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。

定义如下:

[cpp] view plaincopy

  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()   //构造函数是私有的
  5.     {  
  6.     }  
  7. static CSingleton *m_pInstance;  
  8. public:  
  9. static CSingleton * GetInstance()  
  10.     {  
  11. if(m_pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用
  12.             m_pInstance = new CSingleton();  
  13. return m_pInstance;  
  14.     }  
  15. };  

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(); 对GetInstance稍加修改,这个设计模板便可以适用于可变多实例情况,如一个类允许最多五个实例。 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):

[cpp] view plaincopy

  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()  
  5.     {  
  6.     }  
  7. static CSingleton *m_pInstance;  
  8. class CGarbo   //它的唯一工作就是在析构函数中删除CSingleton的实例
  9.     {  
  10. public:  
  11.         ~CGarbo()  
  12.         {  
  13. if(CSingleton::m_pInstance)  
  14. delete CSingleton::m_pInstance;  
  15.         }  
  16.     };  
  17. 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
  18. public:  
  19. static CSingleton * GetInstance()  
  20.     {  
  21. if(m_pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用
  22.             m_pInstance = new CSingleton();  
  23. return m_pInstance;  
  24.     }  
  25. };  

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。 进一步的讨论

但是添加一个类的静态对象,总是让人不太满意,所以有人用如下方法来重新实现单例和解决它相应的问题,代码如下:

[cpp] view plaincopy

  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()   //构造函数是私有的
  5.     {  
  6.     }  
  7. public:  
  8. static CSingleton & GetInstance()  
  9.     {  
  10. static CSingleton instance;   //局部静态变量
  11. return instance;  
  12.     }  
  13. };  

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。 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,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,函数的代码改为如下:

[cpp] view plaincopy

  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()   //构造函数是私有的
  5.     {  
  6.     }  
  7. public:  
  8. static CSingleton * GetInstance()  
  9.     {  
  10. static CSingleton instance;   //局部静态变量
  11. return &instance;  
  12.     }  
  13. };  

但我总觉的不好,为什么不让编译器不这么干呢。这时我才想起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:

[cpp] view plaincopy

  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()   //构造函数是私有的
  5.     {  
  6.     }  
  7.     CSingleton(const CSingleton &);  
  8.     CSingleton & operator = (const CSingleton &);  
  9. public:  
  10. static CSingleton & GetInstance()  
  11.     {  
  12. static CSingleton instance;   //局部静态变量
  13. return instance;  
  14.     }  
  15. };  

关于Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函数,需要声明成私有的,并且只声明不实现。这样,如果用上面的方式来使用单例时,不管是在友元类中还是其他的,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。 考虑到线程安全、异常安全,可以做以下扩展

[cpp] view plaincopy

  1. class Lock  
  2. {  
  3. private:         
  4.     CCriticalSection m_cs;  
  5. public:  
  6.     Lock(CCriticalSection  cs) : m_cs(cs)  
  7.     {  
  8.         m_cs.Lock();  
  9.     }  
  10.     ~Lock()  
  11.     {  
  12.         m_cs.Unlock();  
  13.     }  
  14. };  
  15. class Singleton  
  16. {  
  17. private:  
  18.     Singleton();  
  19.     Singleton(const Singleton &);  
  20.     Singleton& operator = (const Singleton &);  
  21. public:  
  22. static Singleton *Instantialize();  
  23. static Singleton *pInstance;  
  24. static CCriticalSection cs;  
  25. };  
  26. Singleton* Singleton::pInstance = 0;  
  27. Singleton* Singleton::Instantialize()  
  28. {  
  29. if(pInstance == NULL)  
  30.     {   //double check
  31.         Lock lock(cs);           //用lock实现线程安全,用资源管理类,实现异常安全
  32. //使用资源管理类,在抛出异常的时候,资源管理类对象会被析构,析构总是发生的无论是因为异常抛出还是语句块结束。
  33. if(pInstance == NULL)  
  34.         {  
  35.             pInstance = new Singleton();  
  36.         }  
  37.     }  
  38. return pInstance;  
  39. }  

之所以在Instantialize函数里面对pInstance 是否为空做了两次判断,因为该方法调用一次就产生了对象,pInstance == NULL 大部分情况下都为false,如果按照原来的方法,每次获取实例都需要加锁,效率太低。而改进的方法只需要在第一次 调用的时候加锁,可大大提高效率。

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