单例模式(Singleton)(一)

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通常我们都将构造函数的声明置于public区段，假如我们将其放入private区段中会发生什么样的后果？没错，我也知道这将会使构造函数成为私有的，这意味着什么？

我们知道，当我们在程序中声明一个对象时，编译器为调用构造函数(如果有的话)，而这个调用将通常是外部的，也就是说它不属于class对象本身的调用，假如构造函数是私有的，由于在class外部不允许访问私有成员，所以这将导致编译出错。

你于是说：“哈哈。”我们制造了一个似乎无法产生对象的class.哦，当然，对于class本身，我们还可以利用它的static公有成员，因为它们独立于class对象之外，我们不必产生对象也可以使用它们。嗯，看来我们还是为带有私有构造函数的类找到了一个存在的理由。不过我们不应当满足于此，因为看上去应当还有发掘的余地。

首先我们来认真看一下是不是真的无法创建出一个具有私有构造函数的类对象。“呃，可能未必。”你现在也许会这样说。这很好，让我们再来看看为什么，没错，因为构造函数被class私有化了，所以我们要创建出对象，就必须能够访问到class的私有域；但这一点“我们”是做不到的，那么，谁能做得到呢？class的成员可以做得到；但在我们建构出其对象之前，怎么能利用它的成员呢？噢，刚才我们刚刚提到了static公有成员，它是独立于class对象而存在的，当然，它也是公有的，“我们”可以访问得到。假如在某个static函数中创建了该class的对象，并以引用或者指针的形式将其返回(不可以以值的形式返回，想想为什么)，我们就获得了这个对象的使用权。下面是例子：

class WonderfulClass
{
public:
       static WonderfulClass* makeAnObject()
       {
              // 创建一个WonderfulClass对象并返回其指针
              return (new WonderfulClass);
       }
private:
       WonderfulClass() { }
};
int main()
{
       WonderfulClass *p = WonderfulClass::makeAnObject();
       ... // 使用*p
       delete p;  // Not neccesary here, but it's a good habit.
       return 0;
}

嗯，这个例子使用了私有构造函数，但它运行得很好：makeAnObject()作为WonderfulClass的静态成员函数，尽心尽责地为我们创建对象：由于要跨函数传递并且不能使用值传递方式，所以我们选择在堆上创建对象，这样即使makeAnObject()退出，对象也不会随之蒸发掉，当然，使用完之后你可不要忘了手工将它清除。

回到前面的思路：除了公有的static成员可以帮助我们访问私有域外，还有没有其它可以利用的“东西”？

噢，你一定想到了使用友元，完全正确。可以使用该类的友元函数或者友元类创建其对象，这里就不举例了。

我们知道没有人会无聊到无缘无故把一个class设为私有，然后再写一个和上面一模一样的makeAnObject()来让它的用户体验一下奇特的感觉。我们也不太相信这只是由于C++的设计原因而导致的一个“顺便的”“特殊的”“无用的”边角功能。它应当是有实际用途的。提醒一下，到了JAVA中你会更容易明白很多静态方法创建对象的原理！！！

嗯，例如，我们想实现这样一个class：它至多只能存在一个，或者指定数量个的对象(还记得标准输入输出流库中那个独一无二的cout吗？)，我们可以在class的私有域中添加一个static类型的计数器，它的初值置为0，然后再对makeAnObject()做点手脚：每次调用它时先检查计数器的值是否已经达到对象个数的上限值，如果是则产生错误，否则才new出新的对象，同时将计数器的值增1.最后，为了避免值复制时产生新的对象副本，除了将构造函数置为私有外，复制构造函数也要特别声明并置为私有。

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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。

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《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。

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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式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 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。

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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。

当我们要让一个类产生同一个对象对客户端服务的时候，比如管理数据库连接,管理文件IO等，这时我们就要使用到单例模式。下面是该模式的C++实现(注泽说明)

#include <iostream>   
using namespace std;   
//单例类的C++实现   
class Singleton   
{   
private:   
       Singleton();//注意:构造方法私有   
       virtual ~Singleton();   
       static Singleton* instance;//惟一实例   
       int var;//成员变量(用于测试)   

public:   
       static Singleton* GetInstance();//工厂方法(用来获得实例)   
       int getVar();//获得var的值   
       void setVar(int);//设置var的值   
};   

//构造方法实现   
Singleton::Singleton()   
{   
       this->var = 20;   
       cout<<"Singleton Constructor"<<endl;   
}   
Singleton::~Singleton()   
{   
       delete instance;   
}   
//初始化静态成员   
Singleton* Singleton::instance=new Singleton();   
Singleton* Singleton::GetInstance()   
{   
       return instance;   
}   
//seter && getter含数   
int Singleton::getVar()   
{   
       return this->var;   
}   
void Singleton::setVar(int var)   
{   
       this->var = var;   
}   

//main   
int main(int argc, char* argv[])   
{   
       Singleton *ton1 = Singleton::GetInstance();   
       Singleton *ton2 = Singleton::GetInstance();   
      
       cout<<"ton1 var = "<<ton1->getVar()<<endl;   
       ton1->setVar(150);   

       cout<<"ton2 var = "<<ton2->getVar()<<endl;   
      
       return 0;   
}

输出如下:

Singleton Constructor

ton1 var = 20

ton2 var = 150

在输出结果中我们可以看到,构造方法只调用了一次,ton1与ton2是指向同一个对象的。

原文：http://blog.csdn.net/eric491179912/article/details/6708379

posted @ 2011-10-19 12:58 JK00 阅读(780) 评论(0) 编辑收藏举报

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