C++单例模式的介绍
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：
- class CSingleton
- {
- private:
- CSingleton() //构造函数是私有的
- {
- }
- static CSingleton *m_pInstance;
- public:
- static CSingleton * GetInstance()
- {
- if(m_pInstance == NULL) //判断是否第一次调用
- m_pInstance = new CSingleton();
- return m_pInstance;
- }
- };
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）：
- class CSingleton
- {
- 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 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
- public:
- static CSingleton * GetInstance()
- {
- if(m_pInstance == NULL) //判断是否第一次调用
- m_pInstance = new CSingleton();
- return m_pInstance;
- }
- };
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：
- class CSingleton
- {
- private:
- CSingleton() //构造函数是私有的
- {
- }
- public:
- static CSingleton & GetInstance()
- {
- static CSingleton instance; //局部静态变量
- return instance;
- }
- };
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：
- class CSingleton
- {
- private:
- CSingleton() //构造函数是私有的
- {
- }
- public:
- static CSingleton * GetInstance()
- {
- static CSingleton instance; //局部静态变量
- 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声明类拷贝的构造函数，和重载 = 操作符，新的单例类如下：
- class CSingleton
- {
- private:
- CSingleton() //构造函数是私有的
- {
- }
- CSingleton(const CSingleton &);
- CSingleton & operator = (const CSingleton &);
- public:
- static CSingleton & GetInstance()
- {
- static CSingleton instance; //局部静态变量
- return instance;
- }
- };
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
- class Lock
- {
- private:
- CCriticalSection m_cs;
- public:
- Lock(CCriticalSection cs) : m_cs(cs)
- {
- m_cs.Lock();
- }
- ~Lock()
- {
- m_cs.Unlock();
- }
- };
- class Singleton
- {
- private:
- Singleton();
- Singleton(const Singleton &);
- Singleton& operator = (const Singleton &);
- public:
- static Singleton *Instantialize();
- static Singleton *pInstance;
- static CCriticalSection cs;
- };
- Singleton* Singleton::pInstance = 0;
- Singleton* Singleton::Instantialize()
- {
- if(pInstance == NULL)
- { //double check
- Lock lock(cs); //用lock实现线程安全，用资源管理类，实现异常安全
- //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。
- if(pInstance == NULL)
- {
- pInstance = new Singleton();
- }
- }
- return pInstance;
- }
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
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：
- 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；
- 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。