每日一题（27）——C++单例模式

1.简介：  

        单例模式也称为单件模式、单子模式，可能是使用最广泛的设计模式。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。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。

        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。

1.1. 构造

        《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。

定义如下：

class CSingleton
{
//其他成员
public:
	static CSingleton* GetInstance()
	{
      		if ( m_pInstance == NULL )  //判断是否第一次调用
	           m_pInstance = new CSingleton();
	         return m_pInstance;
	}

private:
    	CSingleton(){};
    	static CSingleton * m_pInstance;

};

        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：

• CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();
• CSingleton* p2 = p1->GetInstance();
• CSingleton & ref = * CSingleton :: 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，如一个类允许最多三个实例（如下2.题目）。

 

单例类CSingleton有以下特征：

它有一个指向唯一实例的静态指针m_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。

 

1.2.析构

        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，m_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。

        1.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。

        2. 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CGarbo类（Garbo意为垃圾工人）：

class CSingleton
{
//其他成员
public:
	static CSingleton* GetInstance();
	
private:
   	CSingleton(){};
	static CSingleton * m_pInstance;

	class CGarbo //它的唯一工作就是在析构函数中删除CSingleton的实例
	{
	 public:
            ~CGarbo()
            {
                if( CSingleton::m_pInstance )
                delete CSingleton::m_pInstance;
            }
	}

         Static CGabor Garbo; //定义一个静态成员，程序结束时，系统会自动调用它的析构函数
}；

类CGarbo被定义为CSingleton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CSingleton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：

1.在单例类内部定义专有的嵌套类；

2.在单例类内定义私有的专门用于释放的静态成员；

3.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；

4.使用单例的代码不需要任何操作，不必关心对象的释放。

1.3.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实现单例和解决它相应的问题，代码如下：

class CSingleton
{
    //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，当时领导的意思是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，怎样让编译器这么干呢。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。

 

1.4.优化Singleton类，使之适用于单线程应用

Singleton使用操作符new为唯一实例分配存储空间。因为new操作符是线程安全的，在多线程应用中你可以使用此设计模板，但是有一个缺陷：就是在应用程序终止之前必须手工用delete摧毁实例。否则，不仅导致内存溢出，还要造成不可预测的行为，因为Singleton的析构函数将根本不会被调用。而通过使用本地静态实例代替动态实例，单线程应用可以很容易避免这个问题。下面是与上面的GetInstance()稍有不同的实现，这个实现专门用于单线程应用：

CSingleton* CSingleton :: GetInstance()
{
	static CSingleton inst；
	return &inst；
}

本地静态对象实例inst是第一次调用GetInstance()时被构造，一直保持活动状态直到应用程序终止，指针m_pInstance变得多余并且可以从类定义中删除掉，与动态分配对象不同，静态对象当应用程序终止时被自动销毁掉，所以就不必再手动销毁实例了。

 

2.代码：

//版本一

#include <iostream>   
using namespace std;   
//单例类的C++实现   
class Singleton   
{   
private:   
       Singleton();//注意:构造方法私有   
        static Singleton* instance;//惟一实例   
        int var;//成员变量(用于测试)   

public:   
      static Singleton* GetInstance();//工厂方法(用来获得实例)   
      int getVar();//获得var的值   
       void setVar(int);//设置var的值   
       virtual ~Singleton();

};   

//构造方法实现   

Singleton::Singleton()   
{   
       this->var = 20;   
       cout<<"Singleton Constructor"<<endl;   
}   

Singleton::~Singleton()   
{   
       cout<<"Singleton Destructor"<<endl;
       //delete instance;   
}   

//初始化静态成员   
/*
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含数   
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();//必须显式地删除

}   

 

 

3.题目：

实现一个类，不能被继承，且只能被实例化3次（注意判断次数的位置，构造函数必须是私有的）

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	static A* intial()
	{
		if(n<3) return new A;
		else return 0;
	}
	void print()
	{
		cout<<n<<endl;
	}
private:
	A(){n++;}
	static int n;
};
int A::n=0;

int main()
{
	A* p = NULL;//不实例化
	for (int i=0;i<5;i++)
	{
		//运行静态函数，判断n<3，然后调用构造函数n++，之后调用print，所以输出的是1,2,3
		p=A::intial();
		if(p!=NULL)
		{
			p->print();
		}
	}
}

 

Reference：

http://blog.csdn.net/boyhailong/article/details/6645681

http://blog.csdn.net/clamreason/article/details/8105960