• 单例模式


      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。

      设计目的: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。

      《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:

     1 class CSingleton
     2 {
     3 private 4     CSingleton(){}  //构造函数是私有的
     5     static CSingleton *m_pInstance;
     6 public:
     7     static CSingleton *GetInstance()
     8     {
     9          if(m_pInstance == NULL)  //判断是否是第一次调用
    10         m_pInstance == new CSingleton();
    11           return m_pInstance;
    12     }
    13 };
    定义

      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(),并对返回的指针调用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):

     1 class CSingleton
     2 {
     3 private:
     4           CSingleton(){}
     5  
     6           static CSingleton *m_pInstance;
     7 
     8           class CGarbo //它的唯一工作就是在析构函数中删除CSingleton的实例
     9        {
    10            public:
    11     ~CGarbo()
    12     {
    13                      if(CSingleton::m_pInstance)
    14                 delete CSingleton::m_pInstance;
    15     }
    16          };
    17          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
    18 public:
    19          static CSingleton *GetInstance()
    20         {
    21     if(m_pInstance == NULL)   //判断是否第一次调用
    22         m_pInstance = new CSingleton();
    23              return m_pInstance;
    24        }
    25 };                                         
    Garbo垃圾工人

    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。

    进一步的讨论
    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:

     1 class CSingleton
     2 {
     3 private:
     4         CSingleton(){}//构造函数是私有的
     5 public:
     6         static CSingleton &GetInstance()
     7         {
     8     static CSingleton instance;  //局部静态变量
     9     return instance;
    10         }
    11 };                    
    使用局部静态变量

      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:

     1 class CSingleton
     2 {
     3 private:
     4     CSingleton(){}//构造函数是私有的
     5 public:
     6     static CSingleton *GetInstance()
     7     {
     8         static CSingleton instance;  //局部静态变量
     9         return &instance;
    10     }
    11 };
    View Code

      但我总觉的不好,为什么不让编译器这么干呢。

      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:

     1 class CSingleton
     2 {
     3 private:
     4     CSingleton(){}//构造函数是私有的
     5     CSingleton(const CSingleton &);
     6     CSingleton &operator = (const CSingleton &);
     7 public:
     8     static CSingleton &GetInstance()
     9     {
    10         static CSingleton instance;  //局部静态变量
    11         return instance;
    12     }
    13 };
    View Code

      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。
      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。
      考虑到线程安全、异常安全,可以做以下扩展

     1 class Lock
     2 {
     3 private:
     4     CCriticalSection m_cs;
     5 public:
     6     Lock(CCriticalSection cs):m_cs(cs)
     7     {
     8         m_cs.Lock();
     9     }
    10     ~Lock()
    11     {
    12         m_cs.Unlock();
    13     }
    14 };
    15 class Singleton
    16 {
    17 private:
    18     Singleton();//构造函数是私有的
    19     Singleton(const Singleton &);
    20     Singleton &operator = (const Singleton &);
    21 public:
    22     static Singleton *Instantialize();
    23     static Singleton *pInstance;
    24     static CCriticalSection cs;
    25 };
    26 Singleton * Singleton::pInstance = 0;
    27 
    28 Singleton * Singleton::Instantialize()
    29 {
    30     if(pInstance == NULL)
    31     {
    32         //double check
    33         Lock lock(cs);     //用lock实现线程安全,用资源管理类,实现异常安全
    34         //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
    35         if(pInstance == NULL)
    36         {
    37             pInstance = new Singleton();
    38         }
    39     }
    40     return pInstance;
    41 }
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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/baoxiaofei/p/4291039.html
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