C++中的單例模式

單例模式也稱為單件模式、單子模式，可能是使用最廣泛的設計模式。其意圖是保證一個類僅有一個執行個體，并提供一個通路它的全局通路點，該執行個體被所有程式子產品共享。有很多地方需要這樣的功能子產品，如系統的日志輸出，GUI應用必須是單滑鼠，MODEM的聯接需要一條且隻需要一條電話線，作業系統隻能有一個視窗管理器，一台PC連一個鍵盤。

       單例模式有許多種實作方法，在C++中，甚至可以直接用一個全局變量做到這一點，但這樣的代碼顯的很不優雅。 使用全局對象能夠保證友善地通路執行個體，但是不能保證隻聲明一個對象——也就是說除了一個全局執行個體外，仍然能建立相同類的本地執行個體。

《設計模式》一書中給出了一種很不錯的實作，定義一個單例類，使用類的私有靜态指針變量指向類的唯一執行個體，并用一個公有的靜态方法擷取該執行個體。

       單例模式通過類本身來管理其唯一執行個體，這種特性提供了解決問題的方法。唯一的執行個體是類的一個普通對象，但設計這個類時，讓它隻能建立一個執行個體并提供對此執行個體的全局通路。唯一執行個體類Singleton在靜态成員函數中隐藏建立執行個體的操作。習慣上把這個成員函數叫做Instance()，它的傳回值是唯一執行個體的指針。

定義如下：

[cpp] view

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1. class CSingleton  
2. {  
3. private:  
4.     CSingleton()   //構造函數是私有的  
5.     {  
6.     }  
7.     static CSingleton *m_pInstance;  
8. public:  
9.     static CSingleton * GetInstance()  
11.         if(m_pInstance == NULL)  //判斷是否第一次調用  
12.             m_pInstance = new CSingleton();  
13.         return m_pInstance;  
15. };  

使用者通路唯一執行個體的方法隻有GetInstance()成員函數。如果不通過這個函數，任何建立執行個體的嘗試都将失敗，因為類的構造函數是私有的。GetInstance()使用懶惰初始化，也就是說它的傳回值是當這個函數首次被通路時被建立的。這是一種防彈設計——所有GetInstance()之後的調用都傳回相同執行個體的指針：

CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();

CSingleton* p2 = p1->GetInstance();

CSingleton & ref = * CSingleton :: GetInstance();

對GetInstance稍加修改，這個設計模闆便可以适用于可變多執行個體情況，如一個類允許最多五個執行個體。

單例類CSingleton有以下特征：

它有一個指向唯一執行個體的靜态指針m_pInstance，并且是私有的；

它有一個公有的函數，可以擷取這個唯一的執行個體，并且在需要的時候建立該執行個體；

它的構造函數是私有的，這樣就不能從别處建立該類的執行個體。

大多數時候，這樣的實作都不會出現問題。有經驗的讀者可能會問，m_pInstance指向的空間什麼時候釋放呢？更嚴重的問題是，該執行個體的析構函數什麼時候執行？

如果在類的析構行為中有必須的操作，比如關閉檔案，釋放外部資源，那麼上面的代碼無法實作這個要求。我們需要一種方法，正常的删除該執行個體。

可以在程式結束時調用GetInstance()，并對傳回的指針掉用delete操作。這樣做可以實作功能，但不僅很醜陋，而且容易出錯。因為這樣的附加代碼很容易被忘記，而且也很難保證在delete之後，沒有代碼再調用GetInstance函數。

一個妥善的方法是讓這個類自己知道在合适的時候把自己删除，或者說把删除自己的操作挂在作業系統中的某個合适的點上，使其在恰當的時候被自動執行。

我們知道，程式在結束的時候，系統會自動析構所有的全局變量。事實上，系統也會析構所有的類的靜态成員變量，就像這些靜态成員也是全局變量一樣。利用這個特征，我們可以在單例類中定義一個這樣的靜态成員變量，而它的唯一工作就是在析構函數中删除單例類的執行個體。如下面的代碼中的CGarbo類（Garbo意為垃圾勞工）：

4.     CSingleton()  
8.     class CGarbo   //它的唯一工作就是在析構函數中删除CSingleton的執行個體  
10.     public:  
11.         ~CGarbo()  
12.         {  
13.             if(CSingleton::m_pInstance)  
14.                 delete CSingleton::m_pInstance;  
15.         }  
16.     };  
17.     static CGarbo Garbo;  //定義一個靜态成員變量，程式結束時，系統會自動調用它的析構函數  

類CGarbo被定義為CSingleton的私有内嵌類，以防該類被在其他地方濫用。

程式運作結束時，系統會調用CSingleton的靜态成員Garbo的析構函數，該析構函數會删除單例的唯一執行個體。

使用這種方法釋放單例對象有以下特征：

在單例類内部定義專有的嵌套類；

在單例類内定義私有的專門用于釋放的靜态成員；

利用程式在結束時析構全局變量的特性，選擇最終的釋放時機；

使用單例的代碼不需要任何操作，不必關心對象的釋放。

進一步的讨論

但是添加一個類的靜态對象，總是讓人不太滿意，是以有人用如下方法來重制實作單例和解決它相應的問題，代碼如下：

8.     static CSingleton & GetInstance()  
10.         static CSingleton instance;   //局部靜态變量  
11.         return instance;  

使用局部靜态變量，非常強大的方法，完全實作了單例的特性，而且代碼量更少，也不用擔心單例銷毀的問題。

但使用此種方法也會出現問題，當如下方法使用單例時問題來了，

Singleton singleton = Singleton :: GetInstance();

這麼做就出現了一個類拷貝的問題，這就違背了單例的特性。産生這個問題原因在于：編譯器會為類生成一個預設的構造函數，來支援類的拷貝。

最後沒有辦法，我們要禁止類拷貝和類指派，禁止程式員用這種方式來使用單例，當時上司的意思是GetInstance()函數傳回一個指針而不是傳回一個引用，函數的代碼改為如下：

11.         return &instance;  

但我總覺的不好，為什麼不讓編譯器不這麼幹呢。這時我才想起可以顯示的生命類拷貝的構造函數，和重載 = 操作符，新的單例類如下：

7.     CSingleton(const CSingleton &);  
8.     CSingleton & operator = (const CSingleton &);  

關于Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函數，需要聲明成私有的，并且隻聲明不實作。這樣，如果用上面的方式來使用單例時，不管是在友元類中還是其他的，編譯器都是報錯。

不知道這樣的單例類是否還會有問題，但在程式中這樣子使用已經基本沒有問題了。