C++中的單例模式

標籤：blog   http   使用   io   strong   檔案   art   ar   

 

單例模式也稱為單件模式、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執行個體，並提供一個訪問它的全域訪問點，該執行個體被所有程式模組共用。有很多地方需要這樣的功能模組，如系統的日誌輸出，GUI應用必須是單滑鼠，MODEM的聯結需要一條且只需要一條電話線，作業系統只能有一個視窗管理器，一台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域變數做到這一點，但這樣的代碼顯的很不優雅。 使用全域對象能夠保證方便地訪問執行個體，但是不能保證只聲明一個對象——也就是說除了一個全域執行個體外，仍然能建立相同類的本地執行個體。
《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，使用類的私人靜態指標變數指向類的唯一執行個體，並用一個公有的靜態方法擷取該執行個體。
       單例模式通過類本身來管理其唯一執行個體，這種特性提供瞭解決問題的方法。唯一的執行個體是類的一個普通對象，但設計這個類時，讓它只能建立一個執行個體並提供對此執行個體的全域訪問。唯一執行個體類Singleton在靜態成員函數中隱藏建立執行個體的操作。習慣上把這個成員函數叫做Instance()，它的傳回值是唯一執行個體的指標。

定義如下：

 

[cpp] view plaincopy 

1. class CSingleton  
2. {  
3. private:  
4.     CSingleton()   //建構函式是私人的  
5.     {  
6.     }  
7.     static CSingleton *m_pInstance;  
8. public:  
9.     static CSingleton * GetInstance()  
10.     {  
11.         if(m_pInstance == NULL)  //判斷是否第一次調用  
12.             m_pInstance = new CSingleton();  
13.         return m_pInstance;  
14.     }  
15. };  

使用者訪問唯一執行個體的方法只有GetInstance()成員函數。如果不通過這個函數，任何建立執行個體的嘗試都將失敗，因為類的建構函式是私人的。GetInstance()使用懶惰初始化，也就是說它的傳回值是當這個函數首次被訪問時被建立的。這是一種防彈設計——所有GetInstance()之後的調用都返回相同執行個體的指標：

 

CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();
CSingleton* p2 = p1->GetInstance();
CSingleton & ref = * CSingleton :: GetInstance();
對GetInstance稍加修改，這個設計範本便可以適用於可變多執行個體情況，如一個類允許最多五個執行個體。
 
單例類CSingleton有以下特徵：
它有一個指向唯一執行個體的靜態指標m_pInstance，並且是私人的；
它有一個公有的函數，可以擷取這個唯一的執行個體，並且在需要的時候建立該執行個體；
它的建構函式是私人的，這樣就不能從別處建立該類的執行個體。
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，該執行個體的解構函式什麼時候執行？
如果在類的析構行為中有必須的操作，比如關閉檔案，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，正常的刪除該執行個體。
可以在程式結束時調用GetInstance()，並對返回的指標掉用delete操作。這樣做可以實現功能，但不僅很醜陋，而且容易出錯。因為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作業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，程式在結束的時候，系統會自動析構所有的全域變數。事實上，系統也會析構所有的類的靜態成員變數，就像這些靜態成員也是全域變數一樣。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數，而它的唯一工作就是在解構函式中刪除單例類的執行個體。如下面的代碼中的CGarbo類（Garbo意為垃圾工人）：

[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解構函式中刪除CSingleton的執行個體  
9.     {  
10.     public:  
11.         ~CGarbo()  
12.         {  
13.             if(CSingleton::m_pInstance)  
14.                 delete CSingleton::m_pInstance;  
15.         }  
16.     };  
17.     static CGarbo Garbo;  //定義一個靜態成員變數，程式結束時，系統會自動調用它的解構函式  
18. public:  
19.     static CSingleton * GetInstance()  
20.     {  
21.         if(m_pInstance == NULL)  //判斷是否第一次調用  
22.             m_pInstance = new CSingleton();  
23.         return m_pInstance;  
24.     }  
25. };  

類CGarbo被定義為CSingleton的私人內嵌類，以防該類被在其他地方濫用。
程式運行結束時，系統會調用CSingleton的靜態成員Garbo的解構函式，該解構函式會刪除單例的唯一執行個體。
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；
在單例類內定義私人的專門用於釋放的靜態成員；
利用程式在結束時析構全域變數的特性，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 plaincopy 

1. class CSingleton  
2. {  
3. private:  
4.     CSingleton()   //建構函式是私人的  
5.     {  
6.     }  
7. public:  
8.     static CSingleton & GetInstance()  
9.     {  
10.         static CSingleton instance;   //局部靜態變數  
11.         return instance;  
12.     }  
13. };  

使用局部靜態變數，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：編譯器會為類產生一個預設的建構函式，來支援類的拷貝。

最後沒有辦法，我們要禁止類拷貝和類賦值，禁止程式員用這種方式來使用單例，當時領導的意思是GetInstance()函數返回一個指標而不是返回一個引用，函數的代碼改為如下：

 

[cpp] view plaincopy 

1. class CSingleton  
2. {  
3. private:  
4.     CSingleton()   //建構函式是私人的  
5.     {  
6.     }  
7. public:  
8.     static CSingleton * GetInstance()  
9.     {  
10.         static CSingleton instance;   //局部靜態變數  
11.         return &instance;  
12.     }  
13. };  

但我總覺的不好，為什麼不讓編譯器不這麼幹呢。這時我才想起可以顯示的聲明類拷貝的建構函式，和重載 = 操作符，新的單例類如下：

 

[cpp] view plaincopy 

1. class CSingleton  
2. {  
3. private:  
4.     CSingleton()   //建構函式是私人的  
5.     {  
6.     }  
7.     CSingleton(const CSingleton &);  
8.     CSingleton & operator = (const CSingleton &);  
9. public:  
10.     static CSingleton & GetInstance()  
11.     {  
12.         static CSingleton instance;   //局部靜態變數  
13.         return instance;  
14.     }  
15. };  

關於Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函數，需要聲明成私人的，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，但在程式中這樣子使用已經基本沒有問題了。

考慮到安全執行緒、異常安全，可以做以下擴充

[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.   
16. class Singleton  
17. {  
18. private:  
19.     Singleton();  
20.     Singleton(const Singleton &);  
21.     Singleton& operator = (const Singleton &);  
22.   
23. public:  
24.     static Singleton *Instantialize();  
25.     static Singleton *pInstance;  
26.     static CCriticalSection cs;  
27. };  
28.   
29. Singleton* Singleton::pInstance = 0;  
30.   
31. Singleton* Singleton::Instantialize()  
32. {  
33.     if(pInstance == NULL)  
34.     {   //double check  
35.         Lock lock(cs);           //用lock實現安全執行緒，用資源管理類，實現異常安全  
36.         //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為異常拋出還是語句塊結束。  
37.         if(pInstance == NULL)  
38.         {  
39.             pInstance = new Singleton();  
40.         }  
41.     }  
42.     return pInstance;  
43. }  

之所以在Instantialize函數裡面對pInstance 是否為空白做了兩次判斷，因為該方法調用一次就產生了對象，pInstance == NULL 大部分情況下都為false，如果按照原來的方法，每次擷取執行個體都需要加鎖，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。

 

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

 

該文作者使用C++實現了單例模式，並進一步思考單例模式的如何在合適的時間析構的問題。