C++設計模式之Singleton(單件/單例)模式

單例模式,顧名思義,此模式下的對象實例永遠只有一個.很多初學者感覺,這個模式的用處不大.但實際上,這個模式應該算是應用得最廣泛的模式之一了.

很多情況下,我們需要考慮單例的實現方式.如全局內存池;全局資源管理器;某個全局的工具類工廠...在UI開發上,同一時間點上僅會出現一個實例的對話框,也可以使用單例實現.

單例的類圖很簡單:

它的目的就是,給程序提供一個全局唯一的訪問點,用於訪問某些資源;固定的算法或唯一的對象等.

單例模式的構建方式主要有兩種:餓漢方式與懶漢方式.也就是靜態初始化的單例與運行時根據需要初始化的單例.

• 餓漢方式

 // 靜態單例類 class CSingletonStatic sealed { private: // 存儲唯一的實例 static const TSmartPtr<CSingletonStatic> instance; private: CSingletonStatic() { } public: static CSingletonStatic* GetInstance() { _tcout << _T("獲得一個實例:") << (CSingletonStatic*)instance << endl; return instance; } void Func() { _tcout << _T("實例方法調用:") << this << endl; } }; // 指針初始化化 const TSmartPtr<CSingletonStatic> CSingletonStatic::instance = new CSingletonStatic; 

• 懶漢方式

// 單例類 class CSingleton { private: // 存儲唯一的實例 static TSmartPtr<CSingleton> instance; private: CSingleton() { } public: static CSingleton* GetInstance() { if( instance == NULL ) { _tcout << _T("創建一個實例:"); instance = new CSingleton; _tcout << (CSingleton*)instance << endl; } _tcout << _T("獲得一個實例:") << (CSingleton*)instance << endl; return instance; } void Func() { _tcout << _T("實例方法調用:") << this << endl; } }; // 指針實例化 TSmartPtr<CSingleton> CSingleton::instance; //////////////////////////////////////////////////////////////////// // 單例類(內部靜態初始化) class CSingletonStaticInside sealed { private: CSingletonStaticInside() { } public: static CSingletonStaticInside* GetInstance() { static CSingletonStaticInside instance; _tcout << _T("獲得一個實例:") << &instance << endl; return &instance; } void Func() { _tcout << _T("實例方法調用:") << this << endl; } };

當我們在實際應用中,很可能需要考慮線程安全問題.餓漢方式由於實現採用類成員靜態初始化,始終是在主線程的主函數開始之前,以單線程方式進行的.所以當程序開啓多個線程開始同步訪問此單例類的時候,它總能返回唯一的單例.

然而懶漢方式則都是非線程安全的.就算是使用函數內部靜態初始化的懶漢單例,由於目前的C++標準並沒有規定編譯器需要解決static的線程安全性,因此它也不是線程安全的.

也就是說,一個static聲明的類變量,在多線程同時第一次訪問時將有可能被構造多次(普通類型的變量,如bool,int的static是線程安全的.在C++0x中規定了static必須由編譯器解決線程安全問題,因此支持C++0x的編譯器編譯的static類變量應該也不會有線程安全問題).

因此,我們可能需要這樣來寫線程安全的懶漢單例(注意,我這裏使用的鎖僅是語義上的"鎖",在實際應用中需要使用對應平臺提供的鎖來完成相應操作):

• 線程安全的懶漢方式

// 單例類 double-checked(雙重檢測) class CSingleton { private: // 存儲唯一的實例 static TSmartPtr<CSingleton> instance; // 線程鎖標記 static bool b_lock; private: CSingleton() { } public: // 對過程加鎖 static void LockMutex(bool& b_lock = CSingleton::b_lock) { while( b_lock ); b_lock = true; } // 對過程解鎖 static void UnlockMutex(bool& b_lock = CSingleton::b_lock) { b_lock = false; } public: static CSingleton* GetInstance() { if( instance == NULL ) { LockMutex(); { if( instance == NULL ) { _tcout << _T("創建一個實例:"); instance = new CSingleton; _tcout << (CSingleton*)instance << endl; } } UnlockMutex(); } _tcout << _T("獲得一個實例:") << (CSingleton*)instance << endl; return instance; } void Func() { _tcout << _T("實例方法調用:") << this << endl; } }; // 指針實例化 TSmartPtr<CSingleton> CSingleton::instance; bool CSingleton::b_lock = false; ////////////////////////////////////////////////////////////////// // 單例類(內部靜態初始化) class CSingletonStaticInside sealed { private: CSingletonStaticInside() { } public: // 對過程加鎖 static void LockMutex(bool& b_lock) { while( b_lock ); b_lock = true; } // 對過程解鎖 static void UnlockMutex(bool& b_lock) { b_lock = false; } public: static CSingletonStaticInside* GetInstance() { // 線程鎖標記 static bool b_lock; LockMutex(b_lock); static CSingletonStaticInside instance; UnlockMutex(b_lock); _tcout << _T("獲得一個實例:") << &instance << endl; return &instance; } void Func() { _tcout << _T("實例方法調用:") << this << endl; } };

在實際項目中,很多時候我們會用泛型的思想做單例模式,例如如下代碼:

• 利用模板實現較爲通用的單例

template <typename TypeT> class CSingletonT { public: static TypeT m_Type; public: static TypeT& Instance() { return m_Type; } }; template <typename TypeT> TypeT CSingletonT<TypeT>::m_Type;

這是一個利用模板實現的餓漢單例,並且是線程安全的.其他方式實現的單例模式也可以類似推出對應的模板實現.

上面說了那麼多,可以看出來,最方便的實現方式,應該是使用類成員靜態初始化實現的餓漢方式單例了.但是這種單例模式有個最大的硬傷,就是在C++裏默認的靜態成員初始化順序是不確定的.當一個程序中有多個單例,並且單例之間有相互的依賴時,就很可能出現因爲構造順序的不一致,導致當訪問某些單例時出現返回的對象尚未初始化的問題.

解決的方法有很多種,在這裏我一般是確定一個會被其他單例類依賴的單例,將它採用懶漢模式實現,而其他的單例則使用餓漢模式.此時的懶漢單例也不需要加鎖,因爲它必定會被其他的餓漢在構造的時候調用一次.

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下面給出完整的示例代碼:

////////////////////////////////////////////////////////////////// // 單例模式 C++示例 // // Author: 木頭雲 // Blog: http://hi.baidu.com/markl22222 // E-Mail: [e-mail] // Version: 1.0.1022.112(2009/10/22) ////////////////////////////////////////////////////////////////// #include "stdafx.h" ////////////////////////////////////////////////////////////////// // 單例類 class CSingleton { private: // 存儲唯一的實例 static TSmartPtr<CSingleton> instance; // 線程鎖標記 static bool b_lock; private: CSingleton() { } public: // 對過程加鎖 static void LockMutex(bool& b_lock = CSingleton::b_lock) { while( b_lock ); b_lock = true; } // 對過程解鎖 static void UnlockMutex(bool& b_lock = CSingleton::b_lock) { b_lock = false; } public: static CSingleton* GetInstance() { if( instance == NULL ) { LockMutex(); { if( instance == NULL ) { _tcout << _T("創建一個實例:"); instance = new CSingleton; _tcout << (CSingleton*)instance << endl; } } UnlockMutex(); } _tcout << _T("獲得一個實例:") << (CSingleton*)instance << endl; return instance; } void Func() { _tcout << _T("實例方法調用:") << this << endl; } }; // 指針實例化 TSmartPtr<CSingleton> CSingleton::instance; bool CSingleton::b_lock = false; //////////////////////////////////////////////////////////////////// // 靜態單例類 class CSingletonStatic sealed { private: // 存儲唯一的實例 static const TSmartPtr<CSingletonStatic> instance; private: CSingletonStatic() { } public: static CSingletonStatic* GetInstance() { _tcout << _T("獲得一個實例:") << (CSingletonStatic*)instance << endl; return instance; } void Func() { _tcout << _T("實例方法調用:") << this << endl; } }; // 指針初始化化 const TSmartPtr<CSingletonStatic> CSingletonStatic::instance = new CSingletonStatic; //////////////////////////////////////////////////////////////////// // 單例類(內部靜態初始化) class CSingletonStaticInside sealed { private: CSingletonStaticInside() { } public: // 對過程加鎖 static void LockMutex(bool& b_lock) { while( b_lock ); b_lock = true; } // 對過程解鎖 static void UnlockMutex(bool& b_lock) { b_lock = false; } public: static CSingletonStaticInside* GetInstance() { // 線程鎖標記 static bool b_lock; LockMutex(b_lock); static CSingletonStaticInside instance; UnlockMutex(b_lock); _tcout << _T("獲得一個實例:") << &instance << endl; return &instance; } void Func() { _tcout << _T("實例方法調用:") << this << endl; } }; ////////////////////////////////////////////////////////////////// // 主函數 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { // 單例類 _tcout << _T("單例類:") << endl; CSingleton::GetInstance()->Func(); CSingleton::GetInstance()->Func(); _tcout << endl; // 靜態單例類 _tcout << _T("靜態單例類:") << endl; CSingletonStatic::GetInstance()->Func(); CSingletonStatic::GetInstance()->Func(); _tcout << endl; // 單例類(內部靜態初始化) _tcout << _T("單例類(內部靜態初始化):") << endl; CSingletonStaticInside::GetInstance()->Func(); CSingletonStaticInside::GetInstance()->Func(); _tcout << endl; return 0; } ////////////////////////////////////////////////////////////////// /* Singleton模式要求一個類有且僅有一個實例,並且提供了一個全局的訪問點. Singleton模式類似於實用類的靜態方法,但是利用Singleton模式可以保存類的狀態,並可以提供繼承多態之類的動態特徵. 非靜態初始化Singleton模式在當在第一次調用實例時初始化新實例,並在以後僅僅返回此實例; 靜態初始化的Singleton模式在當程序運行時就創建了一個新的實例,並在以後僅僅返回此實例. 前者不需要提前佔用系統資源,但是在多線程環境中使用時必須利用雙重鎖定之類的方式處理線程安全問題; 後者在程序運行時就佔用了必須的系統資源,不過在多線程環境中也可以準確的返回唯一的實例. */ //////////////////////////////////////////////////////////////////