C++设计模式——单例模式

导论：上次在面试的时候，面试官问及设计模式中的单例模式，什么是单例模式。在我把单例模式原理及两种实现方法道出，他问了一个问题，什么情况使用单例模式。在熟悉理论，并没有在实际开发过程中使用，这个问题问死了我。闲暇之余，重新的将这种简单且重要的软件设计模式总结。

单例模式：单例模式，是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中一个类只有一个实例。即一个类只有一个对象实例。
单例模式的要点有三个:一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。
单例模式的优点：
1.在单例模式中，活动的单例只有一个实例，对单例类的所有实例化得到的都是相同的一个实例。这样就 防止其它对象对自己的实例化，确保所有的对象都访问一个实例
2.单例模式具有一定的伸缩性，类自己来控制实例化进程，类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。
3.提供了对唯一实例的受控访问。
4.由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以 节约系统资源，当 需要频繁创建和销毁的对象时单例模式无疑可以提高系统的性能。
5.允许可变数目的实例。
6.避免对共享资源的多重占用。
单例模式的缺点：
1.不适用于变化的对象，如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据的错误，不能保存彼此的状态。
2.由于单利模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
3.单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。
4.滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为是垃圾而被回收，这将导致对象状态的丢失。

单例模式的实现：
一.懒汉模式
对于懒汉版的单例模式，需要注意的线程安全的问题，在考略到多线程的问题，我们需要的就是加锁。如果不加锁，当多个线程同时对这个类进行实例时，这个类就同时完成多份实例出来的对象。在加锁的情况下，需要考略效率问题，但完成一次实例之后，再次获取时，不需要加锁，我们需要的是双重判断。我们在防止拷贝及赋值等处理时，只申明不定义，同时还需要的是防止在类外进行定义，要设置为私有。

    class Lock
    {
    public:
        Lock(mutex& m)
            :_mtx(m)
        {
            _mtx.lock();
        }

        ~Lock()
        {
            _mtx.unlock();
        }
    protected:
        Lock(const Lock&);
        Lock& operator=(const Lock&);
    private:
        mutex& _mtx;
    };

    class Singleton
    {
    public:
        static Singleton* Get()
        {
            if (Self == NULL)                  //提高效率
            {
                Lock lock(_mtx);               //线程安全
                if (Self == NULL)
                {
                    Self = new Singleton;
                }
            }
            return Self;
        }

    private:

        Singleton()
        {}

        //防拷贝
        Singleton(const Singleton& );
        Singleton& operator=(const Singleton&);
        static Singleton* Self;
        static mutex _mtx;
    };

    Singleton* Singleton::Self = NULL;

    mutex Singleton::_mtx;

二.饿汉模式
饿汉式单例类在类被加载时就将自己实例化，它的优点在于无须考虑多线程访问问题，可以确保实例的唯一性；从调用速度和反应时间角度来讲，由于单例对象一开始就得以创建，因此要优于懒汉式单例。但是无论系统在运行时是否需要使用该单例对象，由于在类加载时该对象就需要创建，因此从资源利用效率角度来讲，饿汉式单例不及懒汉式单例，而且在系统加载时由于需要创建饿汉式单例对象，加载时间可能会比较长。

    class Singleton
    {
        static Singleton* Get()
        {
            assert(Self);
            return Self;
        }

        //static Singleton& Get2()
        //{
        //  static Singleton s;
        //  return s;
        //}
    protected:
        Singleton()
        {}
        Singleton(const Singleton&);
        Singleton& operator=(const Singleton&);

        static Singleton* Self;
    };

    Singleton* Singleton::Self = new Singleton;

单例模式的应用
一些资源管理器常常设计成单例模式。
在计算机系统中，需要管理的资源包括软件外部资源，譬如每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler， 以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干传真卡，但是只应该有一个软件负责管理传真卡，以避免出现两份传真作业同时传到传真卡中的情况。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。
需要管理的资源包括软件内部资源，譬如，大多数的软件都有一个（甚至多个）属性（properties）文件存放系统配置。这样的系统应当由一个对象来管理一个属性文件。
需要管理的软件内部资源也包括譬如负责记录网站来访人数的部件，记录软件系统内部事件、出错信息的部件，或是对系统的表现进行检查的部件等。这些部件都必须集中管理，不可整出多头。
这些资源管理器构件必须只有一个实例，这是其一；它们必须自行初始化，这是其二；允许整个系统访问自己这是其三。因此，它们都满足单例模式的条件，是单例模式的应用。