C++設(shè)計(jì)模式之單例模式
問題描述
現(xiàn)在，不管開發(fā)一個(gè)多大的系統(tǒng)（至少我現(xiàn)在的部門是這樣的），都會(huì)帶一個(gè)日志功能；在實(shí)際開發(fā)過程中，會(huì)專門有一個(gè)日志模塊，負(fù)責(zé)寫日志，由于在系統(tǒng)的任何地方，我們都有可能要調(diào)用日志模塊中的函數(shù)，進(jìn)行寫日志。那么，如何構(gòu)造一個(gè)日志模塊的實(shí)例呢？難道，每次new一個(gè)日志模塊實(shí)例，寫完日志，再delete，不要告訴我你是這么干的。在C++中，可以構(gòu)造一個(gè)日志模塊的全局變量，那么在任何地方就都可以用了，是的，不錯(cuò)。但是，我所在的開發(fā)部門的C++編碼規(guī)范是參照Google的編碼規(guī)范的。
全局變量在項(xiàng)目中是能不用就不用的，它是一個(gè)定時(shí)炸彈，是一個(gè)不安全隱患，特別是在多線程程序中，會(huì)有很多的不可預(yù)測性；同時(shí)，使用全局變量，也不符合面向?qū)ο蟮姆庋b原則，所以，在純面向?qū)ο蟮恼Z言Java和C#中，就沒有純粹的全局變量。那么，如何完美的解決這個(gè)日志問題，就需要引入設(shè)計(jì)模式中的單例模式。
單例模式
何為單例模式，在GOF的《設(shè)計(jì)模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》中是這樣說的：保證一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)。首先，需要保證一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例；在類中，要構(gòu)造一個(gè)實(shí)例，就必須調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)，如此，為了防止在外部調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)而構(gòu)造實(shí)例，需要將構(gòu)造函數(shù)的訪問權(quán)限標(biāo)記為protected或private；最后，需要提供要給全局訪問點(diǎn)，就需要在類中定義一個(gè)static函數(shù)，返回在類內(nèi)部唯一構(gòu)造的實(shí)例。意思很明白，使用UML類圖表示如下。
UML類圖
代碼實(shí)現(xiàn)
單例模式，單從UML類圖上來說，就一個(gè)類，沒有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。但是，在實(shí)際項(xiàng)目中，使用代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，還是需要考慮很多方面的。
實(shí)現(xiàn)一：
/*
** FileName : SingletonPatternDemo1
** Author : Jelly Young
** Date : 2013/11/20
** Description : More information, please go to http://www.dbjr.com.cn
*/
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
if (m_Instance == NULL )
{
m_Instance = new Singleton ();
}
return m_Instance;
}
static void DestoryInstance()
{
if (m_Instance != NULL )
{
delete m_Instance;
m_Instance = NULL ;
}
}
// This is just a operation example
int GetTest()
{
return m_Test;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 10; }
static Singleton *m_Instance;
int m_Test;
};
Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
Singleton ::DestoryInstance();
return 0;
}
這是最簡單，也是最普遍的實(shí)現(xiàn)方式，也是現(xiàn)在網(wǎng)上各個(gè)博客中記述的實(shí)現(xiàn)方式，但是，這種實(shí)現(xiàn)方式，有很多問題，比如：沒有考慮到多線程的問題，在多線程的情況下，就可能創(chuàng)建多個(gè)Singleton實(shí)例，以下版本是改善的版本。
實(shí)現(xiàn)二：
/*
** FileName : SingletonPatternDemo2
** Author : Jelly Young
** Date : 2013/11/20
** Description : More information, please go to http://www.dbjr.com.cn
*/
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
if (m_Instance == NULL )
{
Lock(); // C++沒有直接的Lock操作，請(qǐng)使用其它庫的Lock，比如Boost，此處僅為了說明
if (m_Instance == NULL )
{
m_Instance = new Singleton ();
}
UnLock(); // C++沒有直接的Lock操作，請(qǐng)使用其它庫的Lock，比如Boost，此處僅為了說明
}
return m_Instance;
}
static void DestoryInstance()
{
if (m_Instance != NULL )
{
delete m_Instance;
m_Instance = NULL ;
}
}
int GetTest()
{
return m_Test;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 0; }
static Singleton *m_Instance;
int m_Test;
};
Singleton *Singleton ::m_Instance = NULL;
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
Singleton ::DestoryInstance();
return 0;
}
此處進(jìn)行了兩次m_Instance == NULL的判斷，是借鑒了Java的單例模式實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用的所謂的“雙檢鎖”機(jī)制。因?yàn)檫M(jìn)行一次加鎖和解鎖是需要付出對(duì)應(yīng)的代價(jià)的，而進(jìn)行兩次判斷，就可以避免多次加鎖與解鎖操作，同時(shí)也保證了線程安全。但是，這種實(shí)現(xiàn)方法在平時(shí)的項(xiàng)目開發(fā)中用的很好，也沒有什么問題？但是，如果進(jìn)行大數(shù)據(jù)的操作，加鎖操作將成為一個(gè)性能的瓶頸；為此，一種新的單例模式的實(shí)現(xiàn)也就出現(xiàn)了。
實(shí)現(xiàn)三：
/*
** FileName : SingletonPatternDemo3
** Author : Jelly Young
** Date : 2013/11/20
** Description : More information, please go to http://www.dbjr.com.cn
*/
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
return const_cast <Singleton *>(m_Instance);
}
static void DestoryInstance()
{
if (m_Instance != NULL )
{
delete m_Instance;
m_Instance = NULL ;
}
}
int GetTest()
{
return m_Test;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 10; }
static const Singleton *m_Instance;
int m_Test;
};
const Singleton *Singleton ::m_Instance = new Singleton();
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
Singleton ::DestoryInstance();
}
因?yàn)殪o態(tài)初始化在程序開始時(shí)，也就是進(jìn)入主函數(shù)之前，由主線程以單線程方式完成了初始化，所以靜態(tài)初始化實(shí)例保證了線程安全性。在性能要求比較高時(shí)，就可以使用這種方式，從而避免頻繁的加鎖和解鎖造成的資源浪費(fèi)。由于上述三種實(shí)現(xiàn)，都要考慮到實(shí)例的銷毀，關(guān)于實(shí)例的銷毀，待會(huì)在分析。由此，就出現(xiàn)了第四種實(shí)現(xiàn)方式：
實(shí)現(xiàn)四：
/*
** FileName : SingletonPatternDemo4
** Author : Jelly Young
** Date : 2013/11/20
** Description : More information, please go to http://www.dbjr.com.cn
*/
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
static Singleton m_Instance;
return &m_Instance;
}
int GetTest()
{
return m_Test++;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 10; };
int m_Test;
};
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
}
以上就是四種主流的單例模式的實(shí)現(xiàn)方式，如果大家還有什么好的實(shí)現(xiàn)方式，希望大家能推薦給我。謝謝了。
實(shí)例銷毀
在上述的四種方法中，除了第四種沒有使用new操作符實(shí)例化對(duì)象以外，其余三種都使用了；我們一般的編程觀念是，new操作是需要和delete操作進(jìn)行匹配的；是的，這種觀念是正確的。在上述的實(shí)現(xiàn)中，是添加了一個(gè)DestoryInstance的static函數(shù)，這也是最簡單，最普通的處理方法了；但是，很多時(shí)候，我們是很容易忘記調(diào)用DestoryInstance函數(shù)，就像你忘記了調(diào)用delete操作一樣。由于怕忘記delete操作，所以就有了智能指針；那么，在單例模型中，沒有“智能單例”，該怎么辦？怎么辦？
那我先從實(shí)際的項(xiàng)目中說起吧，在實(shí)際項(xiàng)目中，特別是客戶端開發(fā)，其實(shí)是不在乎這個(gè)實(shí)例的銷毀的。因?yàn)?，全局就這么一個(gè)變量，全局都要用，它的生命周期伴隨著軟件的生命周期，軟件結(jié)束了，它也就自然而然的結(jié)束了，因?yàn)橐粋€(gè)程序關(guān)閉之后，它會(huì)釋放它占用的內(nèi)存資源的，所以，也就沒有所謂的內(nèi)存泄漏了。但是，有以下情況，是必須需要進(jìn)行實(shí)例銷毀的：
1.在類中，有一些文件鎖了，文件句柄，數(shù)據(jù)庫連接等等，這些隨著程序的關(guān)閉而不會(huì)立即關(guān)閉的資源，必須要在程序關(guān)閉前，進(jìn)行手動(dòng)釋放；
3.具有強(qiáng)迫癥的程序員。
以上，就是我總結(jié)的兩點(diǎn)。
雖然，在代碼實(shí)現(xiàn)部分的第四種方法能滿足第二個(gè)條件，但是無法滿足第一個(gè)條件。好了，接下來，就介紹一種方法，這種方法也是我從網(wǎng)上學(xué)習(xí)而來的，代碼實(shí)現(xiàn)如下：
/*
** FileName : SingletonPatternDemo5
** Author : Jelly Young
** Date : 2013/11/20
** Description : More information, please go to http://www.dbjr.com.cn
*/
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
return m_Instance;
}
int GetTest()
{
return m_Test;
}
private:
Singleton(){ m_Test = 10; }
static Singleton *m_Instance;
int m_Test;
// This is important
class GC
{
public :
~GC()
{
// We can destory all the resouce here, eg:db connector, file handle and so on
if (m_Instance != NULL )
{
cout<< "Here is the test" <<endl;
delete m_Instance;
m_Instance = NULL ;
}
}
};
static GC gc;
};
Singleton *Singleton ::m_Instance = new Singleton();
Singleton ::GC Singleton ::gc;
int main(int argc , char *argv [])
{
Singleton *singletonObj = Singleton ::GetInstance();
cout<<singletonObj->GetTest()<<endl;
return 0;
}
在程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用Singleton的靜態(tài)成員GC的析構(gòu)函數(shù)，該析構(gòu)函數(shù)會(huì)進(jìn)行資源的釋放，而這種資源的釋放方式是在程序員“不知道”的情況下進(jìn)行的，而程序員不用特別的去關(guān)心，使用單例模式的代碼時(shí)，不必關(guān)心資源的釋放。那么這種實(shí)現(xiàn)方式的原理是什么呢？我剖析問題時(shí)，喜歡剖析到問題的根上去，絕不糊涂的停留在表面。由于程序在結(jié)束的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)析構(gòu)所有的全局變量，實(shí)際上，系統(tǒng)也會(huì)析構(gòu)所有類的靜態(tài)成員變量，就像這些靜態(tài)變量是全局變量一樣。我們知道，靜態(tài)變量和全局變量在內(nèi)存中，都是存儲(chǔ)在靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的，所以在析構(gòu)時(shí)，是同等對(duì)待的。
由于此處使用了一個(gè)內(nèi)部GC類，而該類的作用就是用來釋放資源，而這種使用技巧在C++中是廣泛存在的，在后面的博客中，我會(huì)總結(jié)這一技巧，參見《C++中的RAII機(jī)制》。
模式擴(kuò)展
在實(shí)際項(xiàng)目中，一個(gè)模式不會(huì)像我們這里的代碼那樣簡單，只有在熟練了各種設(shè)計(jì)模式的特點(diǎn)，才能更好的在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行運(yùn)用。單例模式和工廠模式在實(shí)際項(xiàng)目中經(jīng)常見到，兩種模式的組合，在項(xiàng)目中也是很常見的。所以，有必要總結(jié)一下兩種模式的結(jié)合使用。
一種產(chǎn)品，在一個(gè)工廠中進(jìn)行生產(chǎn)，這是一個(gè)工廠模式的描述；而只需要一個(gè)工廠，就可以生產(chǎn)一種產(chǎn)品，這是一個(gè)單例模式的描述。所以，在實(shí)際中，一種產(chǎn)品，我們只需要一個(gè)工廠，此時(shí)，就需要工廠模式和單例模式的結(jié)合設(shè)計(jì)。由于單例模式提供對(duì)外一個(gè)全局的訪問點(diǎn)，所以，我們就需要使用簡單工廠模式中那樣的方法，定義一個(gè)標(biāo)識(shí)，用來標(biāo)識(shí)要?jiǎng)?chuàng)建的是哪一個(gè)單件。由于模擬代碼較多，在文章最后，提供下載鏈接。
總結(jié)
為了寫這篇文章，自己調(diào)查了很多方面的資料，由于網(wǎng)上的資料在各方面都有很多的瑕疵，質(zhì)量參次不齊，對(duì)我也造成了一定的誤導(dǎo)。而這篇文章，有我自己的理解，如有錯(cuò)誤，請(qǐng)大家指正。
由于該文對(duì)設(shè)計(jì)模式的總結(jié)，我認(rèn)為比網(wǎng)上80%的都全面，希望對(duì)大家有用。在實(shí)際的開發(fā)中，并不會(huì)用到單例模式的這么多種，每一種設(shè)計(jì)模式，都應(yīng)該在最適合的場合下使用，在日后的項(xiàng)目中，應(yīng)做到有地放矢，而不能為了使用設(shè)計(jì)模式而使用設(shè)計(jì)模式。
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