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C++中的单例模式

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：

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. };
16. CSingleton * CSingleton::m_pInstance = NULL; //静态成员变量初始化类似函数体的实现，无需考虑访问权限。

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）：

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：

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：

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：

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

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。