C++中的單例模式

        單例模式也稱爲單件模式、單子模式，可能是使用最廣泛的設計模式。其意圖是保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點，該實例被所有程序模塊共享。有很多地方需要這樣的功能模塊，如系統的日誌輸出，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，並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，這種特性提供瞭解決問題的方法。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並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：

[cpp] view plain copy print?

class CSingleton
{
private:
CSingleton() //構造函數是私有的
{
}
static CSingleton *m_pInstance;
public:
static CSingleton * GetInstance()
{
if(m_pInstance == NULL) //判斷是否第一次調用
m_pInstance = new CSingleton();
return m_pInstance;
}
};

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //構造函數是私有的
	{
	}
	static CSingleton *m_pInstance;
public:
	static CSingleton * GetInstance()
	{
		if(m_pInstance == NULL)  //判斷是否第一次調用
			m_pInstance = new CSingleton();
		return 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，因爲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()之後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於可變多實例情況，如一個類允許最多五個實例。

單例類CSingleton有以下特徵：
它有一個指向唯一實例的靜態指針m_pInstance，並且是私有的；
它有一個公有的函數，可以獲取這個唯一的實例，並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指向的空間什麼時候釋放呢？更嚴重的問題是，該實例的析構函數什麼時候執行？
如果在類的析構行爲中有必須的操作，比如關閉文件，釋放外部資源，那麼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()，並對返回的指針掉用delete操作。這樣做可以實現功能，但不僅很醜陋，而且容易出錯。因爲這樣的附加代碼很容易被忘記，而且也很難保證在delete之後，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。利用這個特徵，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意爲垃圾工人）：

[cpp] view plain copy print?

class CSingleton
{
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 CGarbo Garbo; //定義一個靜態成員變量，程序結束時，系統會自動調用它的析構函數
public:
static CSingleton * GetInstance()
{
if(m_pInstance == NULL) //判斷是否第一次調用
m_pInstance = new CSingleton();
return m_pInstance;
}
};

class CSingleton
{
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 CGarbo Garbo;  //定義一個靜態成員變量，程序結束時，系統會自動調用它的析構函數
public:
	static CSingleton * GetInstance()
	{
		if(m_pInstance == NULL)  //判斷是否第一次調用
			m_pInstance = new CSingleton();
		return m_pInstance;
	}
};

類CGarbo被定義爲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徵：
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於釋放的靜態成員；
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新實現單例和解決它相應的問題，代碼如下：

[cpp] view plain copy print?

class CSingleton
{
private:
CSingleton() //構造函數是私有的
{
}
public:
static CSingleton & GetInstance()
{
static CSingleton instance; //局部靜態變量
return instance;
}
};

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //構造函數是私有的
	{
	}
public:
	static CSingleton & GetInstance()
	{
		static CSingleton instance;   //局部靜態變量
		return instance;
	}
};

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，也不用擔心單例銷燬的問題。
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();
這麼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於：編譯器會爲類生成一個默認的構造函數，來支持類的拷貝。

最後沒有辦法，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，函數的代碼改爲如下：

[cpp] view plain copy print?

class CSingleton
{
private:
CSingleton() //構造函數是私有的
{
}
public:
static CSingleton * GetInstance()
{
static CSingleton instance; //局部靜態變量
return &instance;
}
};

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //構造函數是私有的
	{
	}
public:
	static CSingleton * GetInstance()
	{
		static CSingleton instance;   //局部靜態變量
		return &instance;
	}
};

但我總覺的不好，爲什麼不讓編譯器不這麼幹呢。這時我纔想起可以顯示的聲明類拷貝的構造函數，和重載 = 操作符，新的單例類如下：

[cpp] view plain copy print?

class CSingleton
{
private:
CSingleton() //構造函數是私有的
{
}
CSingleton(const CSingleton &);
CSingleton & operator = (const CSingleton &);
public:
static CSingleton & GetInstance()
{
static CSingleton instance; //局部靜態變量
return instance;
}
};

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //構造函數是私有的
	{
	}
	CSingleton(const CSingleton &);
	CSingleton & operator = (const CSingleton &);
public:
	static CSingleton & GetInstance()
	{
		static CSingleton instance;   //局部靜態變量
		return instance;
	}
};

關於Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函數，需要聲明成私有的，並且只聲明不實現。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。

考慮到線程安全、異常安全，可以做以下擴展

[cpp] view plain copy print?

class Lock
{
private:
CCriticalSection m_cs;
public:
Lock(CCriticalSection cs) : m_cs(cs)
{
m_cs.Lock();
}
~Lock()
{
m_cs.Unlock();
}
};
class Singleton
{
private:
Singleton();
Singleton(const Singleton &);
Singleton& operator = (const Singleton &);
public:
static Singleton *Instantialize();
static Singleton *pInstance;
static CCriticalSection cs;
};
Singleton* Singleton::pInstance = 0;
Singleton* Singleton::Instantialize()
{
if(pInstance == NULL)
{ //double check
Lock lock(cs); //用lock實現線程安全，用資源管理類，實現異常安全
//使用資源管理類，在拋出異常的時候，資源管理類對象會被析構，析構總是發生的無論是因爲異常拋出還是語句塊結束。
if(pInstance == NULL)
{
pInstance = new Singleton();
}
}
return pInstance;
}

class Lock
{
private:       
	CCriticalSection m_cs;
public:
	Lock(CCriticalSection  cs) : m_cs(cs)
	{
		m_cs.Lock();
	}
	~Lock()
	{
		m_cs.Unlock();
	}
};

class Singleton
{
private:
	Singleton();
	Singleton(const Singleton &);
	Singleton& operator = (const Singleton &);

public:
	static Singleton *Instantialize();
	static Singleton *pInstance;
	static CCriticalSection cs;
};

Singleton* Singleton::pInstance = 0;

Singleton* Singleton::Instantialize()
{
	if(pInstance == NULL)
	{   //double check
		Lock lock(cs);           //用lock實現線程安全，用資源管理類，實現異常安全
		//使用資源管理類，在拋出異常的時候，資源管理類對象會被析構，析構總是發生的無論是因爲異常拋出還是語句塊結束。
		if(pInstance == NULL)
		{
			pInstance = new Singleton();
		}
	}
	return pInstance;
}

之所以在Instantialize函數裏面對pInstance 是否爲空做了兩次判斷，因爲該方法調用一次就產生了對象，pInstance == NULL 大部分情況下都爲false，如果按照原來的方法，每次獲取實例都需要加鎖，效率太低。而改進的方法只需要在第一次調用的時候加鎖，可大大提高效率。

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