C++中的單例模式介紹

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：

複製代碼 代碼如下:class CSingleton
{
//其他成員
public:
static CSingleton* GetInstance()
{
if ( m_pInstance == NULL ) //判斷是否第一次調用
m_pInstance = new CSingleton();
return m_pInstance;
}
private:
CSingleton(){};
static CSingleton * m_pInstance;
};

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）：

複製代碼 代碼如下:class CSingleton
{
//其他成員
public:
static CSingleton* GetInstance();
private:
CSingleton(){};
static CSingleton * m_pInstance;
class CGarbo //它的唯一工作就是在解構函式中刪除CSingleton的執行個體
{
public:
~CGarbo()
{
if( CSingleton::m_pInstance )
delete CSingleton::m_pInstance;
}
}
Static CGabor Garbo; //定義一個靜態成員，程式結束時，系統會自動調用它的解構函式
}；

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現實現單例和解決它相應的問題，代碼如下：

複製代碼 代碼如下:class CSingleton
{
//其他成員
public:
static Singleton &GetInstance()
{
static Singleton instance;
return instance;
}
private:
Singleton() {};
};

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：

複製代碼 代碼如下:static Singleton *GetInstance()
{
static Singleton instance;
return &instance;
}

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生命類拷貝的建構函式，和重載 = 操作符，新的單例類如下：

複製代碼 代碼如下:class Singleton
{
//其他成員
public:
static Singleton &GetInstance()
{
static Singleton instance;
return instance;
}
private:
Singleton() {};
Singleton(const Singleton);
Singleton & operate = (const Singleton&);
};

關於Singleton(const Singleton); 和 Singleton & operate = (const Singleton&); 函數，需要聲明成私用的，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。

最佳化Singleton類，使之適用於單線程應用
Singleton使用操作符new為唯一執行個體分配儲存空間。因為new操作符是安全執行緒的，在多線程應用中你可以使用此設計範本，但是有一個缺陷：就是在應用程式終止之前必須手工用delete摧毀執行個體。否則，不僅導致記憶體溢出，還要造成不可預測的行為，因為Singleton的解構函式將根本不會被調用。而通過使用本地靜態執行個體代替動態執行個體，單線程應用可以很容易避免這個問題。下面是與上面的GetInstance()稍有不同的實現，這個實現專門用於單線程應用：

複製代碼 代碼如下:CSingleton* CSingleton :: GetInstance()
{
static CSingleton inst；
return &inst；
}

本地靜態對象執行個體inst是第一次調用GetInstance()時被構造，一直保持活動狀態直到應用程式終止，指標m_pInstance變得多餘並且可以從類定義中刪除掉，與動態指派至不同，靜態對象當應用程式終止時被自動銷毀掉，所以就不必再手動銷毀執行個體了。

代碼學習

複製代碼 代碼如下://版本一
#include <iostream>
using namespace std;
//單例類的C++實現
class Singleton
{
private:
Singleton();//注意:構造方法私人

static Singleton* instance;//惟一執行個體
int var;//成員變數(用於測試)
public:
static Singleton* GetInstance();//Factory 方法(用來獲得執行個體)
int getVar();//獲得var的值
void setVar(int);//設定var的值
virtual ~Singleton();
};
//構造方法實現
Singleton::Singleton()
{
this->var = 20;
cout<<"Singleton Constructor"<<endl;
}
Singleton::~Singleton()
{
cout<<"Singleton Destructor"<<endl;
//delete instance;
}
//初始化靜態成員
/*Singleton* Singleton::instance=NULL;
Singleton* Singleton::GetInstance()
{
if(NULL==instance)
instance=new Singleton();
return instance;
}*/
Singleton* Singleton::instance=new Singleton;
Singleton* Singleton::GetInstance()
{
return instance;
}
//seter && getter含數
int Singleton::getVar()
{
return this->var;
}
void Singleton::setVar(int var)
{
this->var = var;
}
//main
void main()
{
Singleton *ton1 = Singleton::GetInstance();
Singleton *ton2 = Singleton::GetInstance();
if(ton1==ton2)
cout<<"ton1==ton2"<<endl;
cout<<"ton1 var = "<<ton1->getVar()<<endl;
cout<<"ton2 var = "<<ton2->getVar()<<endl;
ton1->setVar(150);
cout<<"ton1 var = "<<ton1->getVar()<<endl;
cout<<"ton2 var = "<<ton2->getVar()<<endl;
delete Singleton::GetInstance();//必須顯式地刪除
}