C++常考笔试题:用C++实现单例模式

Q:什么是单例模式?用C++语言实现(演示)一个单例模式.

 一、功能
　　保证一个类仅有一个实例。 
二、结构图

三、优缺点
　　Singleton模式是做为"全局变量"的替代品出现的。所以它具有全局变量的特点：全局可见、贯穿应用程序的整个生命期，它也具有全局变量不具备的性质：同类型的对象实例只可能有一个。

    具体定义:

      单例模式Singleton,是最为常用的设计模式之一.单例模式也称为单件模式、单子模式,它可以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。有很多地方需要这样的功能模块，如系统的日志输出，GUI应用必须是单鼠标，MODEM的联接需要一条且只需要一条电话线，操作系统只能有一个窗口管理器，一台PC连一个键盘。大多数的软件都有一个（甚至多个）属性（properties）文件存放系统配置。这样的系统应当由一个对象来管理一个属性文件。 需要管理的软件内部资源也包括譬如负责记录网站来访人数的部件，记录软件系统内部事件、出错信息的部件，或是对系统的表现进行检查的部件等。这些部件都必须集中管理，不可政出多头。这些资源管理器构件必须只有一个实例，这是其一；它们必须自行初始化，这是其二；允许整个系统访问自己这是其三。因此，它们都满足单例模式的条件，是单例模式的应用。

    实现方法:

    单例模式有许多种实现方法，在C++中，甚至可以直接用一个全局变量做到这一点，但这样的代码显的很不优雅。 使用全局对象能够保证方便地访问实例，但是不能保证只声明一个对象也就是说除了一个全局实例外，仍然能创建相同类的本地实例。
《设计模式》一书中给出了一种很不错的实现，定义一个单例类，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。
单例模式通过类本身来管理其唯一实例，这种特性提供了解决问题的方法。唯一的实例是类的一个普通对象，但设计这个类时，让它只能创建一个实例并提供对此实例的全局访问。唯一实例类Singleton在静态成员函数中隐藏创建实例的操作。习惯上把这个成员函数叫做Instance()，它的返回值是唯一实例的指针。

#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton{
  public:
  static Singleton* getInstance(){
     if(pInstance == NULL){
     pInstance = new Singleton();
     cout << "the Only One" << endl;
     }
     else{
     cout << "an instance is running..." << endl;
     }
     return pInstance;
  }
  private:
  //私有化构造函数,使得不能实例化,因为实例化时类外部无法访问其内部的私有的构造函数
  //而且不能继承 
  Singleton(){};//分号有和无都正确
  static Singleton* pInstance;
};

Singleton* Singleton::pInstance = NULL;
int main()
{
	//Singleton s; //编译器提示错误,构造函数是私有的 
	Singleton *p1 = Singleton::getInstance();
	Singleton *p2 = Singleton::getInstance();
}

用户访问唯一实例的方法只有getInstance()成员函数。如果不通过这个函数，任何创建实例的尝试都将失败，因为类的构造函数是私有的。getInstance()使用懒惰初始化，也就是说它的返回值是当这个函数首次被访问时被创建的。这是一种防弹设计所有getInstance()之后的调用都返回相同实例的指针：
Singleton* p1 =Singleton :: getInstance();
Singleton* p2 = p1->getInstance();
Singleton & ref = * Singleton :: getInstance();
对getInstance稍加修改，这个设计模板便可以适用于可变多实例情况，如一个类允许最多五个实例。
 
单例类Singleton有以下特征：
它有一个指向唯一实例的静态指针pInstance，并且是私有的；
它有一个公有的函数，可以获取这个唯一的实例，并且在需要的时候创建该实例；
它的构造函数是私有的，这样就不能从别处创建该类的实例。
 
大多数时候，这样的实现都不会出现问题。有经验的读者可能会问，pInstance指向的空间什么时候释放呢？更严重的问题是，该实例的析构函数什么时候执行？
如果在类的析构行为中有必须的操作，比如关闭文件，释放外部资源，那么上面的代码无法实现这个要求。我们需要一种方法，正常的删除该实例。
可以在程序结束时调用getInstance()，并对返回的指针掉用delete操作。这样做可以实现功能，但不仅很丑陋，而且容易出错。因为这样的附加代码很容易被忘记，而且也很难保证在delete之后，没有代码再调用getInstance函数。
一个妥善的方法是让这个类自己知道在合适的时候把自己删除，或者说把删除自己的操作挂在操作系统中的某个合适的点上，使其在恰当的时候被自动执行。
我们知道，程序在结束的时候，系统会自动析构所有的全局变量。事实上，系统也会析构所有的类的静态成员变量，就像这些静态成员也是全局变量一样。利用这个特征，我们可以在单例类中定义一个这样的静态成员变量，而它的唯一工作就是在析构函数中删除单例类的实例。如下面的代码中的Garbo类（Garbo意为垃圾工人）：

class Singleton{
  public:
  static Singleton* getInstance();
  private: 
  Singleton(){}
  static Singleton* pInstance;
  //内嵌类
  class Garbo{
    public:
    ~Garbo(){
    if(Singleton::pInstance != NULL)
	delete Singleton::pInstance;	
    }
  };
  static Garbo garbo;
};

类Garbo被定义为Singleton的私有内嵌类，以防该类被在其他地方滥用。
程序运行结束时，系统会调用Singleton的静态成员Garbo的析构函数，该析构函数会删除单例的唯一实例。
使用这种方法释放单例对象有以下特征：
在单例类内部定义专有的嵌套类；
在单例类内定义私有的专门用于释放的静态成员；
利用程序在结束时析构全局变量的特性，选择最终的释放时机；
使用单例的代码不需要任何操作，不必关心对象的释放。

进一步的讨论

但是添加一个类的静态对象，总是让人不太满意，所以有人用如下方法来重现实现单例和解决它相应的问题，代码如下：
class Singleton
{
   //其他成员
   public:
       static Singleton &getInstance()
{
   static Singleton instance;
   return instance;
}
       private:
           Singleton() {};
};
使用局部静态变量，非常强大的方法，完全实现了单例的特性，而且代码量更少，也不用担心单例销毁的问题。
但使用此种方法也会出现问题，当如下方法使用单例时问题来了，
Singleton singleton = Singleton :: getInstance();
这么做就出现了一个类拷贝的问题，这就违背了单例的特性。产生这个问题原因在于：编译器会为类生成一个默认的构造函数，来支持类的拷贝。
最后没有办法，我们要禁止类拷贝和类赋值，禁止程序员用这种方式来使用单例，而是让getInstance()函数返回一个指针而不是返回一个引用，函数的代码改为如下：
static Singleton *getInstance()
{
static Singleton instance;
return &instance;
}
但我总觉的不好，为什么不让编译器不这么干呢。这时我才想起可以显示的生命类拷贝的构造函数，和重载 =操作符，新的单例类如下：
class Singleton
{
   //其他成员
   public:
       static Singleton &getInstance()
{
   static Singleton instance;
   return instance;
}
       private:
           Singleton() {};
           Singleton(const Singleton);
           Singleton & operate = (const Singleton&);
};
关于Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函数，需要声明成私用的，并且只声明不实现。这样，如果用上面的方式来使用单例时，不管是在友元类中还是其他的，编译器都是报错。
不知道这样的单例类是否还会有问题，但在程序中这样子使用已经基本没有问题了。
（出处：http://snailbing.blogbus.com/logs/45398975.html）