C++中的單例模式介紹
有很多地方需要這樣的功能模塊，如系統(tǒng)的日志輸出，GUI應(yīng)用必須是單鼠標(biāo)，MODEM的聯(lián)接需要一條且只需要一條電話線，操作系統(tǒng)只能有一個(gè)窗口管理器，一臺(tái)PC連一個(gè)鍵盤(pán)。
單例模式有許多種實(shí)現(xiàn)方法，在C++中，甚至可以直接用一個(gè)全局變量做到這一點(diǎn)，但這樣的代碼顯的很不優(yōu)雅。 使用全局對(duì)象能夠保證方便地訪問(wèn)實(shí)例，但是不能保證只聲明一個(gè)對(duì)象——也就是說(shuō)除了一個(gè)全局實(shí)例外，仍然能創(chuàng)建相同類(lèi)的本地實(shí)例。
《設(shè)計(jì)模式》一書(shū)中給出了一種很不錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)，定義一個(gè)單例類(lèi)，使用類(lèi)的私有靜態(tài)指針變量指向類(lèi)的唯一實(shí)例，并用一個(gè)公有的靜態(tài)方法獲取該實(shí)例。
單例模式通過(guò)類(lèi)本身來(lái)管理其唯一實(shí)例，這種特性提供了解決問(wèn)題的方法。唯一的實(shí)例是類(lèi)的一個(gè)普通對(duì)象，但設(shè)計(jì)這個(gè)類(lèi)時(shí)，讓它只能創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例并提供對(duì)此實(shí)例的全局訪問(wèn)。唯一實(shí)例類(lèi)Singleton在靜態(tài)成員函數(shù)中隱藏創(chuàng)建實(shí)例的操作。習(xí)慣上把這個(gè)成員函數(shù)叫做Instance()，它的返回值是唯一實(shí)例的指針。
定義如下：
class CSingleton
{
//其他成員
public:
static CSingleton* GetInstance()
{
if ( m_pInstance == NULL ) //判斷是否第一次調(diào)用
m_pInstance = new CSingleton();
return m_pInstance;
}
private:
CSingleton(){};
static CSingleton * m_pInstance;
};
用戶訪問(wèn)唯一實(shí)例的方法只有GetInstance()成員函數(shù)。如果不通過(guò)這個(gè)函數(shù)，任何創(chuàng)建實(shí)例的嘗試都將失敗，因?yàn)轭?lèi)的構(gòu)造函數(shù)是私有的。GetInstance()使用懶惰初始化，也就是說(shuō)它的返回值是當(dāng)這個(gè)函數(shù)首次被訪問(wèn)時(shí)被創(chuàng)建的。這是一種防彈設(shè)計(jì)——所有GetInstance()之后的調(diào)用都返回相同實(shí)例的指針：
CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();
CSingleton* p2 = p1->GetInstance();
CSingleton & ref = * CSingleton :: GetInstance();
對(duì)GetInstance稍加修改，這個(gè)設(shè)計(jì)模板便可以適用于可變多實(shí)例情況，如一個(gè)類(lèi)允許最多五個(gè)實(shí)例。
單例類(lèi)CSingleton有以下特征：
它有一個(gè)指向唯一實(shí)例的靜態(tài)指針m_pInstance，并且是私有的；
它有一個(gè)公有的函數(shù)，可以獲取這個(gè)唯一的實(shí)例，并且在需要的時(shí)候創(chuàng)建該實(shí)例；
它的構(gòu)造函數(shù)是私有的，這樣就不能從別處創(chuàng)建該類(lèi)的實(shí)例。
大多數(shù)時(shí)候，這樣的實(shí)現(xiàn)都不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。有經(jīng)驗(yàn)的讀者可能會(huì)問(wèn)，m_pInstance指向的空間什么時(shí)候釋放呢？更嚴(yán)重的問(wèn)題是，該實(shí)例的析構(gòu)函數(shù)什么時(shí)候執(zhí)行？
如果在類(lèi)的析構(gòu)行為中有必須的操作，比如關(guān)閉文件，釋放外部資源，那么上面的代碼無(wú)法實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。我們需要一種方法，正常的刪除該實(shí)例。
可以在程序結(jié)束時(shí)調(diào)用GetInstance()，并對(duì)返回的指針掉用delete操作。這樣做可以實(shí)現(xiàn)功能，但不僅很丑陋，而且容易出錯(cuò)。因?yàn)檫@樣的附加代碼很容易被忘記，而且也很難保證在delete之后，沒(méi)有代碼再調(diào)用GetInstance函數(shù)。
一個(gè)妥善的方法是讓這個(gè)類(lèi)自己知道在合適的時(shí)候把自己刪除，或者說(shuō)把刪除自己的操作掛在操作系統(tǒng)中的某個(gè)合適的點(diǎn)上，使其在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候被自動(dòng)執(zhí)行。
我們知道，程序在結(jié)束的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)析構(gòu)所有的全局變量。事實(shí)上，系統(tǒng)也會(huì)析構(gòu)所有的類(lèi)的靜態(tài)成員變量，就像這些靜態(tài)成員也是全局變量一樣。利用這個(gè)特征，我們可以在單例類(lèi)中定義一個(gè)這樣的靜態(tài)成員變量，而它的唯一工作就是在析構(gòu)函數(shù)中刪除單例類(lèi)的實(shí)例。如下面的代碼中的CGarbo類(lèi)（Garbo意為垃圾工人）：
class CSingleton
{
//其他成員
public:
static CSingleton* GetInstance();
private:
CSingleton(){};
static CSingleton * m_pInstance;
class CGarbo //它的唯一工作就是在析構(gòu)函數(shù)中刪除CSingleton的實(shí)例
{
public:
~CGarbo()
{
if( CSingleton::m_pInstance )
delete CSingleton::m_pInstance;
}
}
Static CGabor Garbo; //定義一個(gè)靜態(tài)成員，程序結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用它的析構(gòu)函數(shù)
}；
類(lèi)CGarbo被定義為CSingleton的私有內(nèi)嵌類(lèi)，以防該類(lèi)被在其他地方濫用。
程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用CSingleton的靜態(tài)成員Garbo的析構(gòu)函數(shù)，該析構(gòu)函數(shù)會(huì)刪除單例的唯一實(shí)例。
使用這種方法釋放單例對(duì)象有以下特征：
在單例類(lèi)內(nèi)部定義專(zhuān)有的嵌套類(lèi)；
在單例類(lèi)內(nèi)定義私有的專(zhuān)門(mén)用于釋放的靜態(tài)成員；
利用程序在結(jié)束時(shí)析構(gòu)全局變量的特性，選擇最終的釋放時(shí)機(jī)；
使用單例的代碼不需要任何操作，不必關(guān)心對(duì)象的釋放。
進(jìn)一步的討論
但是添加一個(gè)類(lèi)的靜態(tài)對(duì)象，總是讓人不太滿意，所以有人用如下方法來(lái)重現(xiàn)實(shí)現(xiàn)單例和解決它相應(yīng)的問(wèn)題，代碼如下：
class CSingleton
{
//其他成員
public:
static Singleton &GetInstance()
{
static Singleton instance;
return instance;
}
private:
Singleton() {};
};
使用局部靜態(tài)變量，非常強(qiáng)大的方法，完全實(shí)現(xiàn)了單例的特性，而且代碼量更少，也不用擔(dān)心單例銷(xiāo)毀的問(wèn)題。
但使用此種方法也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，當(dāng)如下方法使用單例時(shí)問(wèn)題來(lái)了，
Singleton singleton = Singleton :: GetInstance();
這么做就出現(xiàn)了一個(gè)類(lèi)拷貝的問(wèn)題，這就違背了單例的特性。產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題原因在于：編譯器會(huì)為類(lèi)生成一個(gè)默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，來(lái)支持類(lèi)的拷貝。
最后沒(méi)有辦法，我們要禁止類(lèi)拷貝和類(lèi)賦值，禁止程序員用這種方式來(lái)使用單例，當(dāng)時(shí)領(lǐng)導(dǎo)的意思是GetInstance()函數(shù)返回一個(gè)指針而不是返回一個(gè)引用，函數(shù)的代碼改為如下：
static Singleton *GetInstance()
{
static Singleton instance;
return &instance;
}
但我總覺(jué)的不好，為什么不讓編譯器不這么干呢。這時(shí)我才想起可以顯示的生命類(lèi)拷貝的構(gòu)造函數(shù)，和重載 = 操作符，新的單例類(lèi)如下：
class Singleton
{
//其他成員
public:
static Singleton &GetInstance()
{
static Singleton instance;
return instance;
}
private:
Singleton() {};
Singleton(const Singleton);
Singleton & operate = (const Singleton&);
};
關(guān)于Singleton(const Singleton); 和 Singleton & operate = (const Singleton&); 函數(shù)，需要聲明成私用的，并且只聲明不實(shí)現(xiàn)。這樣，如果用上面的方式來(lái)使用單例時(shí)，不管是在友元類(lèi)中還是其他的，編譯器都是報(bào)錯(cuò)。
不知道這樣的單例類(lèi)是否還會(huì)有問(wèn)題，但在程序中這樣子使用已經(jīng)基本沒(méi)有問(wèn)題了。
優(yōu)化Singleton類(lèi)，使之適用于單線程應(yīng)用
Singleton使用操作符new為唯一實(shí)例分配存儲(chǔ)空間。因?yàn)閚ew操作符是線程安全的，在多線程應(yīng)用中你可以使用此設(shè)計(jì)模板，但是有一個(gè)缺陷：就是在應(yīng)用程序終止之前必須手工用delete摧毀實(shí)例。否則，不僅導(dǎo)致內(nèi)存溢出，還要造成不可預(yù)測(cè)的行為，因?yàn)镾ingleton的析構(gòu)函數(shù)將根本不會(huì)被調(diào)用。而通過(guò)使用本地靜態(tài)實(shí)例代替動(dòng)態(tài)實(shí)例，單線程應(yīng)用可以很容易避免這個(gè)問(wèn)題。下面是與上面的GetInstance()稍有不同的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)現(xiàn)專(zhuān)門(mén)用于單線程應(yīng)用：
CSingleton* CSingleton :: GetInstance()
{
static CSingleton inst；
return &inst；
}
本地靜態(tài)對(duì)象實(shí)例inst是第一次調(diào)用GetInstance()時(shí)被構(gòu)造，一直保持活動(dòng)狀態(tài)直到應(yīng)用程序終止，指針m_pInstance變得多余并且可以從類(lèi)定義中刪除掉，與動(dòng)態(tài)分配對(duì)象不同，靜態(tài)對(duì)象當(dāng)應(yīng)用程序終止時(shí)被自動(dòng)銷(xiāo)毀掉，所以就不必再手動(dòng)銷(xiāo)毀實(shí)例了。
代碼學(xué)習(xí)
//版本一
#include <iostream>
using namespace std;
//單例類(lèi)的C++實(shí)現(xiàn)
class Singleton
{
private:
Singleton();//注意:構(gòu)造方法私有
static Singleton* instance;//惟一實(shí)例
int var;//成員變量(用于測(cè)試)
public:
static Singleton* GetInstance();//工廠方法(用來(lái)獲得實(shí)例)
int getVar();//獲得var的值
void setVar(int);//設(shè)置var的值
virtual ~Singleton();
};
//構(gòu)造方法實(shí)現(xiàn)
Singleton::Singleton()
{
this->var = 20;
cout<<"Singleton Constructor"<<endl;
}
Singleton::~Singleton()
{
cout<<"Singleton Destructor"<<endl;
//delete instance;
}
//初始化靜態(tài)成員
/*Singleton* Singleton::instance=NULL;
Singleton* Singleton::GetInstance()
{
if(NULL==instance)
instance=new Singleton();
return instance;
}*/
Singleton* Singleton::instance=new Singleton;
Singleton* Singleton::GetInstance()
{
return instance;
}
//seter && getter含數(shù)
int Singleton::getVar()
{
return this->var;
}
void Singleton::setVar(int var)
{
this->var = var;
}
//main
void main()
{
Singleton *ton1 = Singleton::GetInstance();
Singleton *ton2 = Singleton::GetInstance();
if(ton1==ton2)
cout<<"ton1==ton2"<<endl;
cout<<"ton1 var = "<<ton1->getVar()<<endl;
cout<<"ton2 var = "<<ton2->getVar()<<endl;
ton1->setVar(150);
cout<<"ton1 var = "<<ton1->getVar()<<endl;
cout<<"ton2 var = "<<ton2->getVar()<<endl;
delete Singleton::GetInstance();//必須顯式地刪除
}
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