本文深入探讨单例模式的概念、实现方式、优缺点及适用场景，并通过具体案例展示其在软件开发中的应用，包括线程安全扩展和异常安全考虑。
前言
神州上下五千年，为了抵御匈奴的入侵，无数的人民投入到兴建万里长城浩瀚的工程中。也正因为有这些劳动人民辛勤的付出，才有了今天世界八大奇迹之一-----独一无二的万里长城。在软件开发中，同样存在这种唯一的实例，它就是接下来要讲的单例模式。属于对象创建型模式。
单例模式：
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单例模式(Singleton Pattern)：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建型模式。 |
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;
}
};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。
单例模式的特征
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;
}
};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：
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：
<span style="font-family:Microsoft YaHei;">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;
}
};</span>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。
线程安全的扩展
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。
单例模式总结
1.主要优点
单例模式的主要优点如下：
(1) 单例模式提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。
(2) 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，对于一些需要频繁创建和销毁的对象单例模式无疑可以提高系统的性能。
2.主要缺点
单例模式的主要缺点如下：
(1) 由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
(2) 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起
3、适用场景
系统只需要一个实例对象或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。通常情况下，单例模式用得不多，如果你的应用程序大量的使用了单例模式，那么可能需要好好检查你的设计。
（1）线程池管理器：线程池中存在多个互不相同的线程，能够往线程池中添加线程，移除线程，枚举线程等。这个线程池管理器就是一个单例对象。
（2）插件管理器： 通常在带有菜单栏的工程项目中，为了扩展的需要，把一些业务逻辑以插件的方式提供。也就是说软件运行过程中会检查某个目录下是否存在所需的插件（一般是动态库），如果有就把它动态添加到菜单栏中。例如：PDF阅读器旧的版本没有百度搜索功能，新版本的PDF阅读器则以插件的方式提供了百度搜索功能。这个插件管理器就是一个单例对象。
（3）Windows任务管理器: Widnows任务管理器对各个进程进行管理。不论你按下多少次CTRL+ALT+DEL（任务管理器快捷键），都只会弹出一个任务管理器对话框。也就是说任务管理器就是一个单例对象。
（4）服务器负载均衡器： 能够添加服务器，移除某个服务器，对客户端的链接请求，随即选择一个服务器进行分发处理。这个服务器负载均衡器也是一个单例对象。
（5）注册表管理器：提供对各软件的配置，初始化各软件。系统唯一存在一个注册表。
（6）系统序列号：现在很多软件都有进行加密处理，在使用过程中需要输入序列号（该序列号可能是电脑机器码）。这些序列号各不相同。
(7) Windows系统回收站机制： 系统运行到关机，回收站都存在。且系统只有一个回收站，用来管理被删除的资源。
(8) 操作系统的文件系统： 一个操作系统只能存在一种文件系统，如Windows默认的NTFS文件系统。
(9) 网站计数器： 现在很多的论坛，网站都会显示当前在线的人数。这个在线计数器就是单例模式的一种应用，整个软件只有一个在线计数器类，供各个用户共享。用户登陆，计数器加1，用户退出，计数器减1。
(10) 应用程序的日志应用: 一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加.
(11) 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式: 因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，因为何用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗
(12) MFC的全局应用实例theapp: 整个MFC程序就只有一个app对象。
(13) 缓存机制： 通过把系统常用的资源放到缓存中，Cpu直接从缓存中读取资源进行处理，节省时间。这个缓存一般情况下系统就只有一个。比如：cache
(14) 驱动： Windows的声卡、显卡、网卡、打印机驱动等。唯一的存在一种驱动。
(15) 配置文件管理: 通常把一些配置信息写入到xml配置文件中，软件运行过程中只需要唯一一个配置文件对象既可实现读取配置文件的信息。当有多个功能需要读取配置文件中的信息时，也可以通过这个唯一的配置文件对象来读取信息。这个对象被共享，它是一个单例对象。
（16）生活中的单例： 世界上只有一个中国、也只有一个福建； 世界上没有完成相同的叶子；每个人的DNA，指纹信息都是独一无二的； 某金店打造的全球仅有的一颗钻戒等等。
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