C++中的单例模式

最新推荐文章于 2025-11-11 00:15:00 发布

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#c++ #delete #编译器 #设计模式 #class #多线程

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　　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：