C++ 单例设计模式

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:

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

{

//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:

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。

(出处:http://hi.baidu.com/csudada/blog/item/208fb0f56bb61266dcc47466.html)

 

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 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,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

 

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。

posted @ 2014-11-16 18:02  jasonkent27  阅读(113)  评论(0编辑  收藏  举报