C++的单例模式

单例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。

单例模式有很多实现方法，在C++中，甚至可以直接用一个全局变量做到这一点，但是这样的代码显得很不优雅。《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得该实例。

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会失败，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只有在这个函数首次被访问时被创建。这是一种防弹设计——所有GetInstance()之后的调用都返回相同的实例指针：

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。

 

有经验的读者可能会问，m_pInstance指向的空间什么时候释放？更严重的问题是，该实例的析构函数什么时候调用？
可以在程序结束时调用GetInstance()，并对返回的指针调用delete操作。这样这可以实现功能，但不仅丑陋，而且容易出错。

一个妥善的办法是让这个类自己知道在合适的时候自己删除，或者说把删除自己的操作挂在操作系统某个合适的点上。我们知道，程序在结束的时候，系统会析构所有的全局变量。事实上，系统也会析构所有类的静态成员变量，就像这些静态成员也是全局变量一样。利用这个特性，我们可以在单例类中定义这样一个静态成员变量，而它的唯一工作就是在析构函数中删除单例类的实例。如下面代码中的CGarbo类。

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;
    }
};

类CGarbo被定义为CSingleton的私有嵌套类，以防止该类在其他地方被滥用。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。

 

进一步讨论，

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法来使用单例，比如返回一个指针，

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;
    }
};

可以直接让编译器不这么干吗?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：

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;
    }
};

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。

 

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。

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