单例模式

定义

单例模式(Singleton Pattern，也称为单件模式)，使用最广泛的设计模式之一。其意图是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。

定义一个单例类，私有化它的构造函数，以防止外界创建单例类的对象；使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例，并用一个公有的静态方法获取该实例。

单例模式类图

代码

懒汉模式

//头文件  
class Singleton  
{  
    public:  
        static Singleton& Instance()                  //Instance()作为静态成员函数提供里全局访问点  
        {  
            if(ps == NULL)                        //如果还未实例化，即可实例话，反之提供实例的引用  
                ps = new Singleton;  
            return *ps;                           //返回指针的话可能会误被 delete，返回引用安全一点  
        }  
  
    private:  
        Singleton();                                  //这里将构造，析构，拷贝构造，赋值函数设为私有，杜绝了生成新例  
        ~Singleton();  
        Singleton(const Singleton&);  
        Singleton& operator=(const Singleton&);  
  
        static Singleton* ps;  
};  
  
//源文件  
Singleton* Singleton::ps = NULL;

这种方法的好处在于直到 Instance() 被访问，才会生成实例，这种特性被称为延迟初始化（Lazy Initialization），这在一些初始化时消耗较大的情况有很大优势。
Lazy Singleton不是线程安全的，比如现在有线程A和线程B，都通过了 ps == NULL 的判断，那么线程A和B都会创建新实例。单例模式保证生成唯一实例的规则被打破了。
改进的线程安全的懒汉模式
可以通过加锁来保护单例初始化这一过程，双检测锁模式就是在懒汉模式的基础上稍作修改得到：

//头文件  
class Singleton  
{  
    public:  
        static Singleton& Instance()                //Instance()作为静态成员函数提供里全局访问点  
        {  
            if(ps == NULL)  
            {     
                Lock();             //上锁  
                if(ps == NULL)          //如果还未实例化，即可实例话，反之提供实例的引用  
                    ps = new Singleton;  
                Unlock();           //解锁  
            }  
            return *ps;                             //返回指针的话可能会误被 delete，返回引用安全一点  
        }     
  
    private:  
        Singleton();                                    //这里将构造，析构，拷贝构造，赋值函数设为私有，杜绝了生成新例  
        ~Singleton();  
        Singleton(const Singleton&);  
        Singleton& operator=(const Singleton&);  
  
        static Singleton* ps;  
};  
  
//源文件  
Singleton* Singleton::ps = NULL;  

上锁和解锁仅用于说明，实际应用中可以使用互斥锁，单一信号量等方法去实现。理论上问题解决了，但是在实践中有很多坑，如指令重排、多核处理器等问题让DCLP实现起来比较复杂比如需要使用内存屏障

饿汉模式

//头文件  
class Singleton  
{  
    public:  
        static Singleton& Instance()                  //Instance()作为静态成员函数提供里全局访问点  
        {  
            return instance;  
        }  
  
    private:  
        Singleton();                                  //这里将构造，析构，拷贝构造，赋值函数设为私有，杜绝了生成新例  
        ~Singleton();  
        Singleton(const Singleton&);  
        Singleton& operator=(const Singleton&);  
  
        static Singleton instance;  
};  
  
//源文件  
Singleton Singleton::instance; 

与懒汉模式相反，实例化是在初始化阶段执行的，所以没有线程安全的问题，但是潜在问题在于no-local static对象（函数外的static对象）在不同编译单元（可理解为cpp文件和其包含的头文件）中的初始化顺序是未定义的。如果在初始化完成之前调用 Instance()方法会返回一个未定义的实例。

优雅的单例模式实现

//头文件  
class Singleton  
{  
    public:  
        static Singleton& Instance()                  //Instance()作为静态成员函数提供里全局访问点  
        {  
            static Singleton instance;  
            return instance;  
        }  
  
    private:  
        Singleton();                                  //这里将构造，析构，拷贝构造，赋值函数设为私有，杜绝了生成新例  
        ~Singleton();  
        Singleton(const Singleton&);  
        Singleton& operator=(const Singleton&);       
}; 

使用local static对象（函数内的static对象）。当第一次访问 Instance() 方法时才创建实例。该实现是线程安全的

借助pthread_once() 函数实现单例模式

在多线程编程环境下，尽管 pthread_once() 调用会出现在多个线程中，init_routine()函数仅执行一次，pthread_once是很适合用来实现线程安全单例。(pthread_once 在一个进程里只会执行一次，其实现方式使用的就是互斥锁+条件变量的方法)

//头文件  
pthread_once_t once = PTHREAD_ONCE_INIT;  
class Singleton  
{  
    public:  
        static Singleton& Instance()                  //Instance()作为静态成员函数提供一次实例化以及全局访问点  
        {  
            pthread_once(&once, &Init);  
            return *ps;  
        }  
  
        static void Init()  
        {  
            ps = new Singleton;  
        }  
  
    private:  
        Singleton();  
        ~Singleton();  
        Singleton(const Singleton&);  
        Singleton& operator=(const Singleton&);  
  
        static Singleton* ps;  
};  
//源文件  
Singleton* Singleton::ps = NULL;  

单例模式的实现方法很多，要完成一个完美的实现很难，代码也会很复杂，但是掌握基础的实现还是很必要的,文中提到的优雅的单例模式和借助pthread_once() 函数实现单例模式是相对比较完善的方法。