C++設計模式——單例模式

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問題描述

現在，不管開發一個多大的系統（至少我現在的部門是這樣的），都會帶一個日誌功能；在實際開發過程中，會專門有一個日誌模組，負責寫日誌，由於在系統的任何地方，我們都有可能要調用日誌模組中的函數，進行寫日誌。那麼，如何構造一個日誌模組的執行個體呢？難道，每次new一個日誌模組執行個體，寫完日誌，再delete，不要告訴我你是這麼乾的。在C++中，可以構造一個日誌模組的全域變數，那麼在任何地方就都可以用了，是的，不錯。但是，我所在的開發部門的C++編碼規範是參照Google的編碼規範的。

全域變數在項目中是能不用就不用的，它是一個定時炸彈，是一個不安全隱患，特別是在多線程程式中，會有很多的不可預測性；同時，使用全域變數，也不符合物件導向的封裝原則，所以，在純物件導向的語言Java和C#中，就沒有純粹的全域變數。那麼，如何完美的解決這個日誌問題，就需要引入設計模式中的單例模式。

單例模式

何為單例模式，在GOF的《設計模式：可複用物件導向軟體的基礎》中是這樣說的：保證一個類只有一個執行個體，並提供一個訪問它的全域訪問點。首先，需要保證一個類只有一個執行個體；在類中，要構造一個執行個體，就必須調用類的建構函式，如此，為了防止在外部調用類的建構函式而構造執行個體，需要將建構函式的存取權限標記為protected或private；最後，需要提供要給全域訪問點，就需要在類中定義一個static函數，返回在類內部唯一構造的執行個體。意思很明白，使用UML類圖表示如下。

UML類圖

代碼實現

單例模式，單從UML類圖上來說，就一個類，沒有錯綜複雜的關係。但是，在實際項目中，使用代碼實現時，還是需要考慮很多方面的。

實現一：

/*** FileName     : SingletonPatternDemo1** Author       : Jelly Young** Date         : 2013/11/20** Description  : More information, please go to http://www.jellythink.com*/#include <iostream>using namespace std;class Singleton{public:static Singleton *GetInstance(){if (m_Instance == NULL ){m_Instance = new Singleton ();}return m_Instance;}static void DestoryInstance(){if (m_Instance != NULL ){delete m_Instance;m_Instance = NULL ;}}// This is just a operation exampleint GetTest(){return m_Test;}private:Singleton(){ m_Test = 10; }static Singleton *m_Instance;int m_Test;};Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;int main(int argc , char *argv []){Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;Singleton ::DestoryInstance();return 0;}

　　

這是最簡單，也是最普遍的實現方式，也是現在網上各個部落格中記述的實現方式，但是，這種實現方式，有很多問題，比如：沒有考慮到多線程的問題，在多線程的情況下，就可能建立多個Singleton執行個體，以下版本是改善的版本。

實現二：

/*** FileName     : SingletonPatternDemo2** Author       : Jelly Young** Date         : 2013/11/20** Description  : More information, please go to http://www.jellythink.com*/#include <iostream>using namespace std;class Singleton{public:static Singleton *GetInstance(){if (m_Instance == NULL ){Lock(); // C++沒有直接的Lock操作，請使用其它庫的Lock，比如Boost，此處僅為了說明if (m_Instance == NULL ){m_Instance = new Singleton ();}UnLock(); // C++沒有直接的Lock操作，請使用其它庫的Lock，比如Boost，此處僅為了說明}return m_Instance;}static void DestoryInstance(){if (m_Instance != NULL ){delete m_Instance;m_Instance = NULL ;}}int GetTest(){return m_Test;}private:Singleton(){ m_Test = 0; }static Singleton *m_Instance;int m_Test;};Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;int main(int argc , char *argv []){Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;Singleton ::DestoryInstance();return 0;}

　　

此處進行了兩次m_Instance == NULL的判斷，是借鑒了Java的單例模式實現時，使用的所謂的“雙檢鎖”機制。因為進行一次加鎖和解鎖是需要付出對應的代價的，而進行兩次判斷，就可以避免多次加鎖與解鎖操作，同時也保證了安全執行緒。但是，這種實現方法在平時的項目開發中用的很好，也沒有什麼問題？但是，如果進行大資料的操作，加鎖操作將成為一個效能的瓶頸；為此，一種新的單例模式的實現也就出現了。

實現三：

/*** FileName     : SingletonPatternDemo3** Author       : Jelly Young** Date         : 2013/11/20** Description  : More information, please go to http://www.jellythink.com*/#include <iostream>using namespace std;class Singleton{public:static Singleton *GetInstance(){return const_cast <Singleton *>(m_Instance);}static void DestoryInstance(){if (m_Instance != NULL ){delete m_Instance;m_Instance = NULL ;}}int GetTest(){return m_Test;}private:Singleton(){ m_Test = 10; }static const Singleton *m_Instance;int m_Test;};const Singleton *Singleton ::m_Instance = new Singleton();int main(int argc , char *argv []){Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;Singleton ::DestoryInstance();}

　　

因為靜態初始化在程式開始時，也就是進入主函數之前，由主線程以單線程方式完成了初始化，所以靜態初始化執行個體保證了執行緒安全性。在效能要求比較高時，就可以使用這種方式，從而避免頻繁的加鎖和解鎖造成的資源浪費。由於上述三種實現，都要考慮到執行個體的銷毀，關於執行個體的銷毀，待會在分析。由此，就出現了第四種實現方式：

實現四：

/*** FileName     : SingletonPatternDemo4** Author       : Jelly Young** Date         : 2013/11/20** Description  : More information, please go to http://www.jellythink.com*/#include <iostream>using namespace std;class Singleton{public:static Singleton *GetInstance(){static Singleton m_Instance;return &m_Instance;}int GetTest(){return m_Test++;}private:Singleton(){ m_Test = 10; };int m_Test;};int main(int argc , char *argv []){Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;singletonObj = Singleton ::GetInstance();cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;}

　　

以上就是四種主流的單例模式的實現方式，如果大家還有什麼好的實現方式，希望大家能推薦給我。謝謝了。

執行個體銷毀

在上述的四種方法中，除了第四種沒有使用new操作符執行個體化對象以外，其餘三種都使用了；我們一般的編程觀念是，new操作是需要和delete操作進行匹配的；是的，這種觀念是正確的。在上述的實現中，是添加了一個DestoryInstance的static函數，這也是最簡單，最普通的處理方法了；但是，很多時候，我們是很容易忘記調用DestoryInstance函數，就像你忘記了調用delete操作一樣。由於怕忘記delete操作，所以就有了智能指標；那麼，在單例模型中，沒有“智能單例”，該怎麼辦？怎麼辦？

那我先從實際的項目中說起吧，在實際項目中，特別是用戶端開發，其實是不在乎這個執行個體的銷毀的。因為，全域就這麼一個變數，全域都要用，它的生命週期伴隨著軟體的生命週期，軟體結束了，它也就自然而然的結束了，因為一個程式關閉之後，它會釋放它佔用的記憶體資源的，所以，也就沒有所謂的記憶體流失了。但是，有以下情況，是必須需要進行執行個體銷毀的：

1. 在類中，有一些檔案鎖了，檔案控制代碼，資料庫連接等等，這些隨著程式的關閉而不會立即關閉的資源，必須要在程式關閉前，進行手動釋放；
2. 具有強迫症的程式員。

以上，就是我總結的兩點。

雖然，在代碼實現部分的第四種方法能滿足第二個條件，但是無法滿足第一個條件。好了，接下來，就介紹一種方法，這種方法也是我從網上學習而來的，代碼實現如下：

/*** FileName     : SingletonPatternDemo5** Author       : Jelly Young** Date         : 2013/11/20** Description  : More information, please go to http://www.jellythink.com*/#include <iostream>using namespace std;class Singleton{public:static Singleton *GetInstance(){return m_Instance;}int GetTest(){return m_Test;}private:Singleton(){ m_Test = 10; }static Singleton *m_Instance;int m_Test;// This is importantclass GC{public :~GC(){// We can destory all the resouce here, eg:db connector, file handle and so onif (m_Instance != NULL ){cout<< "Here is the test" <<endl;delete m_Instance;m_Instance = NULL ;}}};static GC gc;};Singleton *Singleton ::m_Instance = new Singleton();Singleton ::GC Singleton ::gc;int main(int argc , char *argv []){Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;return 0;}

　　

在程式運行結束時，系統會調用Singleton的靜態成員GC的解構函式，該解構函式會進行資源的釋放，而這種資源的釋放方式是在程式員“不知道”的情況下進行的，而程式員不用特別的去關心，使用單例模式的代碼時，不必關心資源的釋放。那麼這種實現方式的原理是什麼呢？我剖析問題時，喜歡剖析到問題的根上去，絕不糊塗的停留在表面。由於程式在結束的時候，系統會自動析構所有的全域變數，實際上，系統也會析構所有類的靜態成員變數，就像這些靜態變數是全域變數一樣。我們知道，靜態變數和全域變數在記憶體中，都是儲存在靜態儲存區的，所以在析構時，是同等對待的。

由於此處使用了一個內部GC類，而該類的作用就是用來釋放資源，而這種提示在C++中是廣泛存在的，在後面的部落格中，我會總結這一技巧，參見《C++中的RAII機制》。

模式擴充

在實際項目中，一個模式不會像我們這裡的代碼那樣簡單，只有在熟練了各種設計模式的特點，才能更好的在實際項目中進行運用。單例模式和原廠模式在實際項目中經常見到，兩種模式的組合，在項目中也是很常見的。所以，有必要總結一下兩種模式的結合使用。

一種產品，在一個工廠中進行生產，這是一個原廠模式的描述；而只需要一個工廠，就可以生產一種產品，這是一個單例模式的描述。所以，在實際中，一種產品，我們只需要一個工廠，此時，就需要原廠模式和單例模式的結合設計。由於單例模式提供對外一個全域的訪問點，所以，我們就需要使用簡單原廠模式中那樣的方法，定義一個標識，用來標識要建立的是哪一個單件。由於類比代碼較多，在文章最後，提供下載連結。

總結

為了寫這篇文章，自己調查了很多方面的資料，由於網上的資料在各方面都有很多的瑕疵，品質參次不齊，對我也造成了一定的誤導。而這篇文章，有我自己的理解，如有錯誤，請大家指正。

由於該文對設計模式的總結，我認為比網上80%的都全面，希望對大家有用。在實際的開發中，並不會用到單例模式的這麼多種，每一種設計模式，都應該在最適合的場合下使用，在日後的項目中，應做到有地放矢，而不能為了使用設計模式而使用設計模式。

C++設計模式——單例模式