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C++中的单例模式
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关健词: C++ 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。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,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:
class CSingleton
{
public:
static CSingleton* GetInstance()
{
if ( m_pInstance == NULL ) //判断是否第一次调用
m_pInstance = new CSingleton();
return m_pInstance;
}
private:
CSingleton(){};
static CSingleton * 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(),并对返回的指针掉用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):
class CSingleton
{
public:
static CSingleton* GetInstance();
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 CGabor Garbo; //定义一个静态成员,程序结束时,系统会自动调用它的析构函数
};
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。
(出处:http://hi.baidu.com/csudada/blog/item/208fb0f56bb61266dcc47466.html)
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现实现单例和解决它相应的问题,代码如下:
class CSingleton
{
public:
static Singleton &GetInstance()
{
static Singleton instance;
return instance;
}
private:
Singleton() {};
};
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:
static Singleton *GetInstance()
{
static Singleton instance;
return &instance;
}
但我总觉的不好,为什么不让编译器不这么干呢。这时我才想起可以显示的生命类拷贝的构造函数,和重载 = 操作符,新的单例类如下:
class Singleton
{
public:
static Singleton &GetInstance()
{
static Singleton instance;
return instance;
}
private:
Singleton() {};
Singleton(const Singleton);
Singleton & operate = (const Singleton&);
};
关于Singleton(const Singleton); 和 Singleton & operate = (const Singleton&); 函数,需要声明成私用的,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。
(出处:http://snailbing.blogbus.com/logs/45398975.html)
优化Singleton类,使之适用于单线程应用
Singleton使用操作符new为唯一实例分配存储空间。因为new操作符是线程安全的,在多线程应用中你可以使用此设计模板,但是有一个缺陷:就是在应用程序终止之前必须手工用delete摧毁实例。否则,不仅导致内存溢出,还要造成不可预测的行为,因为Singleton的析构函数将根本不会被调用。而通过使用本地静态实例代替动态实例,单线程应用可以很容易避免这个问题。下面是与上面的GetInstance()稍有不同的实现,这个实现专门用于单线程应用:
CSingleton* CSingleton :: GetInstance()
{
static CSingleton inst;
return &inst;
}
本地静态对象实例inst是第一次调用GetInstance()时被构造,一直保持活动状态直到应用程序终止,指针m_pInstance变得多余并且可以从类定义中删除掉,与动态分配对象不同,静态对象当应用程序终止时被自动销毁掉,所以就不必再手动销毁实例了。
C++编程语言是一个应用广泛的计算机应用语言,它功能强大,在一定程度上大大提高了程序开发效率。C++单例模式也称为单件模式、单子模式。使用单例模式,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,如系统的日志输出等。
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,但这样的代码显得很不优雅。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,并用一个公有静态方法获取该实例。如下面的类定义:
class CSingleton:
{
public:
static CSingleton * GetInstance()
{
if (m_pInstance == NULL)
m_pInstance = new CSingleton();
return m_pInstance;
}
private:
CSingleton(){};
static CSingleton * m_pInstance;
}
C++单例模式类CSingleton有以下特征:
它有一个指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,这个实例的析构操作什么时候执行?
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,那么上面所示的代码无法实现这个要求。我们需要一种方法,正常地删除该实例。
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,但是不仅很丑陋,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系统中的某个合适的点上,使其在恰当的时候自动被执行。
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):
class CSingleton:
{
public:
static CSingleton * GetInstance()
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,在程序结束时,
系统会调用它的析构函数
}
类CGarbo被定义为CSingleton的私有内嵌类,以防该类被在其它地方滥用。
在程序运行结束时,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C++单例模式对象有以下特征:
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C++单例模式的代码不需要任何操作,不必关心对象的释放。
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
private:
Singleton();//注意:构造方法私有
static Singleton* instance;//惟一实例
int var;//成员变量(用于测试)
public:
static Singleton* GetInstance();//工厂方法(用来获得实例)
int getVar();//获得var的值
void setVar(int);//设置var的值
virtual ~Singleton();
};
Singleton::Singleton()
{
this->var = 20;
cout<<"Singleton Constructor"<<endl;
}
Singleton::~Singleton()
{
cout<<"Singleton Destructor"<<endl;
}
Singleton* Singleton::GetInstance()
{
if(NULL==instance)
instance=new Singleton();
return instance;
}*/
Singleton* Singleton::instance=new Singleton;
Singleton* Singleton::GetInstance()
{
return instance;
}
int Singleton::getVar()
{
return this->var;
}
void Singleton::setVar(int var)
{
this->var = var;
}
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();//必须显式地删除
}
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