C++設計模式——單例模式

問題描述

現在，不管開發一個多大的系統（至少我現在的部門是這樣的），都會帶一個日志功能；在實際開發過程中，會專門有一個日志模塊，負責寫日志，由於在系統的任何地方，我們都有可能要調用日志模塊中的函數，進行寫日志。那么，如何構造一個日志模塊的實例呢？難道，每次new一個日志模塊實例，寫完日志，再delete，不要告訴我你是這么干的。在C++中，可以構造一個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。但是，我所在的開發部門的C++編碼規范是參照Google的編碼規范的。

全局變量在項目中是能不用就不用的，它是一個定時炸彈，是一個不安全隱患，特別是在多線程程序中，會有很多的不可預測性；同時，使用全局變量，也不符合面向對象的封裝原則，所以，在純面向對象的語言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日志問題，就需要引入設計模式中的單例模式。

 

單例模式

何為單例模式，在GOF的《設計模式：可復用面向對象軟件的基礎》中是這樣說的：保證一個類只有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。首先，需要保證一個類只有一個實例；在類中，要構造一個實例，就必須調用類的構造函數，如此，為了防止在外部調用類的構造函數而構造實例，需要將構造函數的訪問權限標記為protected或private；最后，需要提供要給全局訪問點，就需要在類中定義一個static函數，返回在類內部唯一構造的實例。意思很明白，使用UML類圖表示如下。

 

UML類圖

 

 

代碼實現

單例模式，單從UML類圖上來說，就一個類，沒有錯綜復雜的關系。但是，在實際項目中，使用代碼實現時，還是需要考慮很多方面的。

實現一：

#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，也是最普遍的實現方式，也是現在網上各個博客中記述的實現方式，但是，這種實現方式，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，就可能創建多個Singleton實例，以下版本是改善的版本。

實現二：

#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;
}

此處進行了兩次m_Instance == NULL的判斷，是借鑒了Java的單例模式實現時，使用的所謂的“雙檢鎖”機制。因為進行一次加鎖和解鎖是需要付出對應的代價的，而進行兩次判斷，就可以避免多次加鎖與解鎖操作，同時也保證了線程安全。但是，這種實現方法在平時的項目開發中用的很好，也沒有什么問題？但是，如果進行大數據的操作，加鎖操作將成為一個性能的瓶頸；為此，一種新的單例模式的實現也就出現了。

實現三：

#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();
}

因為靜態初始化在程序開始時，也就是進入主函數之前，由主線程以單線程方式完成了初始化，所以靜態初始化實例保證了線程安全性。在性能要求比較高時，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。由於上述三種實現，都要考慮到實例的銷毀，關於實例的銷毀，待會在分析。由此，就出現了第四種實現方式：

實現四：

#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現方式，如果大家還有什么好的實現方式，希望大家能推薦給我。謝謝了。

 

實例銷毀

在上述的四種方法中，除了第四種沒有使用new操作符實例化對象以外，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操作進行匹配的；是的，這種觀念是正確的。在上述的實現中，是添加了一個DestoryInstance的static函數，這也是最簡單，最普通的處理方法了；但是，很多時候，我們是很容易忘記調用DestoryInstance函數，就像你忘記了調用delete操作一樣。由於怕忘記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？

那我先從實際的項目中說起吧，在實際項目中，特別是客戶端開發，其實是不在乎這個實例的銷毀的。因為，全局就這么一個變量，全局都要用，它的生命周期伴隨着軟件的生命周期，軟件結束了，它也就自然而然的結束了，因為一個程序關閉之后，它會釋放它占用的內存資源的，所以，也就沒有所謂的內存泄漏了。但是，有以下情況，是必須需要進行實例銷毀的：

1. 在類中，有一些文件鎖了，文件句柄，數據庫連接等等，這些隨着程序的關閉而不會立即關閉的資源，必須要在程序關閉前，進行手動釋放；
2. 具有強迫症的程序員。

以上，就是我總結的兩點。

雖然，在代碼實現部分的第四種方法能滿足第二個條件，但是無法滿足第一個條件。好了，接下來，就介紹一種方法，這種方法也是我從網上學習而來的，代碼實現如下：

#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;
}

在程序運行結束時，系統會調用Singleton的靜態成員GC的析構函數，該析構函數會進行資源的釋放，而這種資源的釋放方式是在程序員“不知道”的情況下進行的，而程序員不用特別的去關心，使用單例模式的代碼時，不必關心資源的釋放。那么這種實現方式的原理是什么呢？我剖析問題時，喜歡剖析到問題的根上去，絕不糊塗的停留在表面。由於程序在結束的時候，系統會自動析構所有的全局變量，實際上，系統也會析構所有類的靜態成員變量，就像這些靜態變量是全局變量一樣。我們知道，靜態變量和全局變量在內存中，都是存儲在靜態存儲區的，所以在析構時，是同等對待的。

由於此處使用了一個內部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。

 

模式擴展

在實際項目中，一個模式不會像我們這里的代碼那樣簡單，只有在熟練了各種設計模式的特點，才能更好的在實際項目中進行運用。單例模式和工廠模式在實際項目中經常見到，兩種模式的組合，在項目中也是很常見的。所以，有必要總結一下兩種模式的結合使用。

一種產品，在一個工廠中進行生產，這是一個工廠模式的描述；而只需要一個工廠，就可以生產一種產品，這是一個單例模式的描述。所以，在實際中，一種產品，我們只需要一個工廠，此時，就需要工廠模式和單例模式的結合設計。由於單例模式提供對外一個全局的訪問點，所以，我們就需要使用簡單工廠模式中那樣的方法，定義一個標識，用來標識要創建的是哪一個單件。由於模擬代碼較多，在文章最后，提供下載鏈接。

 

總結

為了寫這篇文章，自己調查了很多方面的資料，由於網上的資料在各方面都有很多的瑕疵，質量參次不齊，對我也造成了一定的誤導。而這篇文章，有我自己的理解，如有錯誤，請大家指正。

由於該文對設計模式的總結，我認為比網上80%的都全面，希望對大家有用。在實際的開發中，並不會用到單例模式的這么多種，每一種設計模式，都應該在最適合的場合下使用，在日后的項目中，應做到有地放矢，而不能為了使用設計模式而使用設計模式。

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