C++单例模式的介绍

        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。
《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:

[cpp] view plain copy
  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()   //构造函数是私有的  
  5.     {  
  6.     }  
  7.     static CSingleton *m_pInstance;  
  8. public:  
  9.     static CSingleton * GetInstance()  
  10.     {  
  11.         if(m_pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用  
  12.             m_pInstance = new CSingleton();  
  13.         return m_pInstance;  
  14.     }  
  15. };  
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,如一个类允许最多五个实例。
 
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。
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。
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CGarbo类(Garbo意为垃圾工人):
[cpp] view plain copy
  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()  
  5.     {  
  6.     }  
  7.     static CSingleton *m_pInstance;  
  8.     class CGarbo   //它的唯一工作就是在析构函数中删除CSingleton的实例  
  9.     {  
  10.     public:  
  11.         ~CGarbo()  
  12.         {  
  13.             if(CSingleton::m_pInstance)  
  14.                 delete CSingleton::m_pInstance;  
  15.         }  
  16.     };  
  17.     static CGarbo Garbo;  //定义一个静态成员变量,程序结束时,系统会自动调用它的析构函数  
  18. public:  
  19.     static CSingleton * GetInstance()  
  20.     {  
  21.         if(m_pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用  
  22.             m_pInstance = new CSingleton();  
  23.         return m_pInstance;  
  24.     }  
  25. };  
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:
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新实现单例和解决它相应的问题,代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()   //构造函数是私有的  
  5.     {  
  6.     }  
  7. public:  
  8.     static CSingleton & GetInstance()  
  9.     {  
  10.         static CSingleton instance;   //局部静态变量  
  11.         return instance;  
  12.     }  
  13. };  
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:

[cpp] view plain copy
  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()   //构造函数是私有的  
  5.     {  
  6.     }  
  7. public:  
  8.     static CSingleton * GetInstance()  
  9.     {  
  10.         static CSingleton instance;   //局部静态变量  
  11.         return &instance;  
  12.     }  
  13. };  

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声明类拷贝的构造函数,和重载 = 操作符,新的单例类如下:

[cpp] view plain copy
  1. class CSingleton  
  2. {  
  3. private:  
  4.     CSingleton()   //构造函数是私有的  
  5.     {  
  6.     }  
  7.     CSingleton(const CSingleton &);  
  8.     CSingleton & operator = (const CSingleton &);  
  9. public:  
  10.     static CSingleton & GetInstance()  
  11.     {  
  12.         static CSingleton instance;   //局部静态变量  
  13.         return instance;  
  14.     }  
  15. };  
关于Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函数,需要声明成私有的,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。


考虑到线程安全、异常安全,可以做以下扩展
[cpp] view plain copy
  1. class Lock  
  2. {  
  3. private:         
  4.     CCriticalSection m_cs;  
  5. public:  
  6.     Lock(CCriticalSection  cs) : m_cs(cs)  
  7.     {  
  8.         m_cs.Lock();  
  9.     }  
  10.     ~Lock()  
  11.     {  
  12.         m_cs.Unlock();  
  13.     }  
  14. };  
  15.   
  16. class Singleton  
  17. {  
  18. private:  
  19.     Singleton();  
  20.     Singleton(const Singleton &);  
  21.     Singleton& operator = (const Singleton &);  
  22.   
  23. public:  
  24.     static Singleton *Instantialize();  
  25.     static Singleton *pInstance;  
  26.     static CCriticalSection cs;  
  27. };  
  28.   
  29. Singleton* Singleton::pInstance = 0;  
  30.   
  31. Singleton* Singleton::Instantialize()  
  32. {  
  33.     if(pInstance == NULL)  
  34.     {   //double check  
  35.         Lock lock(cs);           //用lock实现线程安全,用资源管理类,实现异常安全  
  36.         //使用资源管理类,在抛出异常的时候,资源管理类对象会被析构,析构总是发生的无论是因为异常抛出还是语句块结束。  
  37.         if(pInstance == NULL)  
  38.         {  
  39.             pInstance = new Singleton();  
  40.         }  
  41.     }  
  42.     return pInstance;  
  43. }  

之所以在Instantialize函数里面对pInstance 是否为空做了两次判断,因为该方法调用一次就产生了对象,pInstance == NULL 大部分情况下都为false,如果按照原来的方法,每次获取实例都需要加锁,效率太低。而改进的方法只需要在第一次 调用的时候加锁,可大大提高效率。

其他:

问题描述

现在,不管开发一个多大的系统(至少我现在的部门是这样的),都会带一个日志功能;在实际开发过程中,会专门有一个日志模块,负责写日志,由于在系统的任何地方,我们都有可能要调用日志模块中的函数,进行写日志。那么,如何构造一个日志模块的实例呢?难道,每次new一个日志模块实例,写完日志,再delete,不要告诉我你是这么干的。在C++中,可以构造一个日志模块的全局变量,那么在任何地方就都可以用了,是的,不错。但是,我所在的开发部门的C++编码规范是参照Google的编码规范的。

全局变量在项目中是能不用就不用的,它是一个定时炸弹,是一个不安全隐患,特别是在多线程程序中,会有很多的不可预测性;同时,使用全局变量,也不符合面向对象的封装原则,所以,在纯面向对象的语言Java和C#中,就没有纯粹的全局变量。那么,如何完美的解决这个日志问题,就需要引入设计模式中的单例模式。

单例模式

何为单例模式,在GOF的《设计模式:可复用面向对象软件的基础》中是这样说的:保证一个类只有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。首先,需要保证一个类只有一个实例;在类中,要构造一个实例,就必须调用类的构造函数,如此,为了防止在外部调用类的构造函数而构造实例,需要将构造函数的访问权限标记为protected或private;最后,需要提供要给全局访问点,就需要在类中定义一个static函数,返回在类内部唯一构造的实例。意思很明白,使用UML类图表示如下。

UML类图

C++单例模式的介绍_第1张图片

代码实现

单例模式,单从UML类图上来说,就一个类,没有错综复杂的关系。但是,在实际项目中,使用代码实现时,还是需要考虑很多方面的。

实现一:

/* ** 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 example
	int 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;
}

这是最简单,也是最普遍的实现方式,也是现在网上各个博客中记述的实现方式,但是,这种实现方式,有很多问题,比如:没有考虑到多线程的问题,在多线程的情况下,就可能创建多个Singleton实例,以下版本是改善的版本。

实现二:

/* ** 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++没有直接的Lock操作,请使用其它库的Lock,比如Boost,此处仅为了说明
			if (m_Instance == NULL )
			{
				m_Instance = new Singleton ();
			}
			UnLock(); // C++没有直接的Lock操作,请使用其它库的Lock,比如Boost,此处仅为了说明
		}
		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;
}

此处进行了两次m_Instance == NULL的判断,是借鉴了Java的单例模式实现时,使用的所谓的“双检锁”机制。因为进行一次加锁和解锁是需要付出对应的代价的,而进行两次判断,就可以避免多次加锁与解锁操作,同时也保证了线程安全。但是,这种实现方法在平时的项目开发中用的很好,也没有什么问题?但是,如果进行大数据的操作,加锁操作将成为一个性能的瓶颈;为此,一种新的单例模式的实现也就出现了。

实现三:

/* ** 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();
}

因为静态初始化在程序开始时,也就是进入主函数之前,由主线程以单线程方式完成了初始化,所以静态初始化实例保证了线程安全性。在性能要求比较高时,就可以使用这种方式,从而避免频繁的加锁和解锁造成的资源浪费。由于上述三种实现,都要考虑到实例的销毁,关于实例的销毁,待会在分析。由此,就出现了第四种实现方式:

实现四:

/* ** 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;
}

以上就是四种主流的单例模式的实现方式,如果大家还有什么好的实现方式,希望大家能推荐给我。谢谢了。

实例销毁

在上述的四种方法中,除了第四种没有使用new操作符实例化对象以外,其余三种都使用了;我们一般的编程观念是,new操作是需要和delete操作进行匹配的;是的,这种观念是正确的。在上述的实现中,是添加了一个DestoryInstance的static函数,这也是最简单,最普通的处理方法了;但是,很多时候,我们是很容易忘记调用DestoryInstance函数,就像你忘记了调用delete操作一样。由于怕忘记delete操作,所以就有了智能指针;那么,在单例模型中,没有“智能单例”,该怎么办?怎么办?

那我先从实际的项目中说起吧,在实际项目中,特别是客户端开发,其实是不在乎这个实例的销毁的。因为,全局就这么一个变量,全局都要用,它的生命周期伴随着软件的生命周期,软件结束了,它也就自然而然的结束了,因为一个程序关闭之后,它会释放它占用的内存资源的,所以,也就没有所谓的内存泄漏了。但是,有以下情况,是必须需要进行实例销毁的:

  1. 在类中,有一些文件锁了,文件句柄,数据库连接等等,这些随着程序的关闭而不会立即关闭的资源,必须要在程序关闭前,进行手动释放;
  2. 具有强迫症的程序员。

以上,就是我总结的两点。

虽然,在代码实现部分的第四种方法能满足第二个条件,但是无法满足第一个条件。好了,接下来,就介绍一种方法,这种方法也是我从网上学习而来的,代码实现如下:

/* ** 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 important
	class GC
	{
	public :
		~GC()
		{
			// We can destory all the resouce here, eg:db connector, file handle and so on
			if (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;
}

在程序运行结束时,系统会调用Singleton的静态成员GC的析构函数,该析构函数会进行资源的释放,而这种资源的释放方式是在程序员“不知道”的情况下进行的,而程序员不用特别的去关心,使用单例模式的代码时,不必关心资源的释放。那么这种实现方式的原理是什么呢?我剖析问题时,喜欢剖析到问题的根上去,绝不糊涂的停留在表面。由于程序在结束的时候,系统会自动析构所有的全局变量,实际上,系统也会析构所有类的静态成员变量,就像这些静态变量是全局变量一样。我们知道,静态变量和全局变量在内存中,都是存储在静态存储区的,所以在析构时,是同等对待的。

由于此处使用了一个内部GC类,而该类的作用就是用来释放资源,而这种使用技巧在C++中是广泛存在的,在后面的博客中,我会总结这一技巧,参见《C++中的RAII机制》。

模式扩展

在实际项目中,一个模式不会像我们这里的代码那样简单,只有在熟练了各种设计模式的特点,才能更好的在实际项目中进行运用。单例模式和工厂模式在实际项目中经常见到,两种模式的组合,在项目中也是很常见的。所以,有必要总结一下两种模式的结合使用。

一种产品,在一个工厂中进行生产,这是一个工厂模式的描述;而只需要一个工厂,就可以生产一种产品,这是一个单例模式的描述。所以,在实际中,一种产品,我们只需要一个工厂,此时,就需要工厂模式和单例模式的结合设计。由于单例模式提供对外一个全局的访问点,所以,我们就需要使用简单工厂模式中那样的方法,定义一个标识,用来标识要创建的是哪一个单件。由于模拟代码较多,在文章最后,提供下载链接。

总结

为了写这篇文章,自己调查了很多方面的资料,由于网上的资料在各方面都有很多的瑕疵,质量参次不齐,对我也造成了一定的误导。而这篇文章,有我自己的理解,如有错误,请大家指正。

由于该文对设计模式的总结,我认为比网上80%的都全面,希望对大家有用。在实际的开发中,并不会用到单例模式的这么多种,每一种设计模式,都应该在最适合的场合下使用,在日后的项目中,应做到有地放矢,而不能为了使用设计模式而使用设计模式。




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