C++设计模式之单例模式详解

单例模式：就是只有一个实例。

singleton pattern单例模式：确保某一个类在程序运行中只能生成一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。这个类称为单例类。如一个工程中，数据库访问对象只有一个，电脑的鼠标只能连接一个，操作系统只能有一个窗口管理器等，这时可以考虑使用单例模式。

众所周知，c++中，类对象被创建时，编译系统为对象分配内存空间，并自动调用构造函数，由构造函数完成成员的初始化工作，也就是说使用构造函数来初始化对象。

1、那么我们需要把构造函数设置为私有的 private，这样可以禁止别人使用构造函数创建其他的实例。

2、又单例类要一直向系统提供这个实例，那么，需要声明它为静态的实例成员，在需要的时候，才创建该实例。

3、且应该把这个静态成员设置为 null，在一个public 的方法里去判断，只有在静态实例成员为 null，也就是没有被初始化的时候，才去初始化它，且只被初始化一次。

通常我们可以让一个全局变量使得一个对象被访问，但它不能阻止你实例化多个对象。如果采用全局或者静态变量的方式，会影响封装性，难以保证别的代码不会对全局变量造成影响。

一个最好的办法是，让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例可以被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法，单例模式比全局对象好还包括，单例类可以继承。

单例模式又分为两种基本的情形：饿汉式和懒汉式

直接在静态区初始化 instance，然后通过 get 方法返回，这样这个类每次直接先生成一个对象，好像好久没吃饭的饿汉子，急着吃饭一样，急切的 new 对象，这叫做饿汉式单例类。或者是在 get 方法中才 new instance，然后返回这个对象，和懒汉字一样，不主动做事，需要调用 get 方法的时候，才 new 对象，这就叫做懒汉式单例类。

如下是懒汉式单例类

//单例模式示例
class Singleton
{
public:
    static Singleton * getInstance()
    {
        if (instance == NULL) {
            instance = new Singleton();
        }

        return instance;
    }

private:
    //私有的构造函数，防止外人私自调用
    Singleton()
    {
        cout << "实例化了" << count << "个对象！" << endl;
        count++;
    }
    //声明一个静态实例，静态函数只能使用静态的数据成员。整个类中静态成员只有一个实例，通常在实现源文件中被初始化。
    static Singleton *instance;
    //记录实例化的对象
    int count = 1;
};

Singleton * Singleton::instance = NULL;

int main(void)
{
    Singleton::getInstance();
    Singleton::getInstance();
    Singleton::getInstance();
    Singleton::getInstance();

    return 0;
}

实例化了1个对象！

Program ended with exit code: 0

小结：

懒汉式单例模式是用时间换取控件，饿汉式单例模式，是用空间换取时间。

继续分析，考虑多线程下的懒汉式单例模式

上述代码在单线程的情况下，运行正常，但是遇到了多线程就出问题，假设有两个线程同时运行了这个单例类，同时运行到了判断 if 语句，并且当时，instance 实例确实没有被初始化呢，那么两个线程都会去运行并创建实例，此时就不满足单例类的要求了。那么我们需要写上线程同步的功能。

//考虑到多线程情形下的单例模式
class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        //联系互斥信号量机制，给代码加锁
        lock();
        //判断 null
        if (NULL == instance) {
            //判断类没有生成对象，才实例化对象，否则不再实例化
            instance = new Singleton();
        }
        //使用完毕，解锁
        unlock();
        //返回一个实例化的对象
        return instance;
    }
private:
    //声明对象计数器
    int count = 0;
    //声明一个静态的实例
    static Singleton *instance;
    //私有构造函数
    Singleton(){
        count++;
        cout << "实例化了" << count << "个对象！" << endl;
    }
};
//初始化 instance
Singleton * Singleton::instance = NULL;

此时，还是有 ab 两个线程来运行这个单例类，由于在同一时刻，只有一个线程能拿到同步锁（互斥信号量机制），a 拿到了同步锁，b 只能等待，如果 a发现实例还没创建，a 就会创建一个实例，创建完毕，a 释放同步锁，然后 b 才能拿到同步锁，继续运行接下来的代码，b 发现 a 线程运行的时候，已经生成了一个实例，b 线程就不会重复创建实例了，这样就保证了我们在多线程环境中只能得到一个实例。

继续分析多线程下的懒汉式单例模式

代码中，每次 get 方法中，得到 instance，都要判断是否为空，且判断是否为空之前，都要先加同步锁，如果线程很多的时候，就要先等待加了同步锁的线程运行完毕，才能继续判断余下的线程，这样就会造成大量线程的阻塞，且加锁是个非常消耗时间的过程，应该尽量避免（除非很有必要的时候）。可行的办法是，双重判断方法。

因为，只是在实例还没有创建的时候，需要加锁判断，保证每次只有一个线程创建实例，而当实例已经创建之后，其实就不需要加锁操作了。

双重判断的线程安全的懒汉式单例模式

class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        //先判断一次 null，只有 null 的时候需要加锁，其他的时候，其实不需要加锁
        if (NULL == instance) {
            //联系互斥信号量机制，给代码加锁
            lock();
            //然后再次判断 null
            if (NULL == instance) {
                //判断类没有生成对象，才实例化对象，否则不再实例化
                instance = new Singleton();
            }
            //使用完毕，解锁
            unlock();
        }
                //返回一个实例化的对象
        return instance;
    }
private:
    //声明对象计数器
    int count = 0;
    //声明一个静态的实例
    static Singleton *instance;
    //私有构造函数
    Singleton(){
        count++;
        cout << "实例化了" << count << "个对象！" << endl;
    }
};
//初始化 instance
Singleton * Singleton::instance = NULL;

这样的双重检测机制，提高了单例模式在多线程下的效率，因为这样的代码，只需要在第一次创建实例的时候，需要加锁，其他的时候，线程无需排队等待加锁之后，再去判断了，比较高效。

再看饿汉式的单例模式，之前看了懒汉式的单例类，是线程不安全的，通过加锁（双重锁），实现线程安全

回忆饿汉式单例类：直接在静态区初始化 instance，然后通过 get 方法返回，这样这个类每次直接先生成一个对象，好像好久没吃饭的饿汉子，急着吃饭一样，急切的 new 对象，这叫做饿汉式单例类。

class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        //返回一个实例化的对象
        return instance;
    }
private:
    //声明一个静态的实例
    static Singleton *instance;
    //私有构造函数
    Singleton(){

    }
};
//每次先直接实例化instance，get 方法直接返回这个实例
Singleton * Singleton::instance = new Singleton();

注意：静态初始化实例可以保证线程安全，因为静态实例初始化在程序开始时进入主函数之前，就由主线程以单线程方式完成了初始化！饿汉式的单例类，也就是静态初始化实例保证其线程安全性，故在性能需求较高时，应使用这种模式，避免频繁的锁争夺。

继续看单例模式

上面的单例模式没有 destory() 方法，也就是说，貌似上面的单例类没有主动析构这个唯一实例！然而这就导致了一个问题，在程序结束之后，该单例对象没有delete，导致内存泄露！下面是一些大神的方法：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。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。利用这些特征，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Garbage类：

class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        //判断单例否
        if (NULL == instance) {
            instance = new Singleton();
        }
        //返回一个实例化的对象
        return instance;
    }
    //c++ 嵌套的内部类，作用是删除单例类对象，Garbage被定义为Singleton的内嵌类，以防该类被在其他地方滥用。
    class Garbage
    {
    public:
        ~Garbage(){
            if (Singleton::instance != NULL) {
                cout << "单例类的唯一实例被析构了" << endl;
                delete Singleton::instance;
            }
        }
    };

private:
    //单例类中声明一个触发垃圾回收类的静态成员变量，它的唯一工作就是在析构函数中删除单例类的实例，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；
    static Garbage garbage;
    //声明一个静态的实例
    static Singleton *instance;
    //单例类的私有构造函数
    Singleton(){
        cout << "调用了单例类的构造函数" << endl;
    }
    //单例类的私有析构函数
    ~Singleton(){
        cout << "调用了单例类的析构函数" << endl;
    }
};
//初始化内部的静态变量，目睹是启动删除的析构函数，如果不初始化，就不会被析构
//内部类可以访问外部类的私有成员，外部类不能访问内部类的私有成员！
Singleton::Garbage Singleton::garbage;
//初始化instance为 null
Singleton * Singleton::instance = NULL;

int main(void)
{
    Singleton *a = Singleton::getInstance();
    Singleton *b = Singleton::getInstance();
    Singleton *c = Singleton::getInstance();

    if (a == b) {
        cout << "a = b" << endl;
    }

    return 0;
}

调用了单例类的构造函数

a = b

单例类的唯一实例被析构了

调用了单例类的析构函数

Program ended with exit code: 0

类Garbage被定义为Singleton的内嵌类，以防该类在其他地方滥用，程序运行结束时，系统会调用Singleton的静态成员garbage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：

1、在单例类内部定义专有的嵌套类；

2、在单例类内定义私有的专门用于释放的静态成员；

3、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；

4、使用单例的代码不需要任何操作，不必关心对象的释放。

其实，继续想单例类的实现，有的人会这样做：

在程序结束时调一个专门的方法，这个方法里判断实例对象是否为 null，如果不为 null，就对返回的指针掉用delete操作。这样做可以实现删除单例的功能，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。不推荐直接的删除方法。

继续查看单例模式：单例模式在实际开发过程中是很有用的

单例模式的特征总结：

1、一个类只有一个实例

2、提供一个全局访问点

3、禁止拷贝

逐个分析：

1、实现只有一个实例，需要做的事情：将构造函数声明为私有

2、提供一个全局访问点，需要做的事情：类中创建静态成员和静态成员方法

3、禁止拷贝：把拷贝构造函数声明为私有，并且不提供实现，将赋值运算符声明为私有，防止对象的赋值

完整的单例类实现代码如下：

class Singleton
{
public:
    //get 方法
    static Singleton * getInstance(){
        if (NULL == instance) {
            lock();
            //判断单例否
            if (NULL == instance) {
                instance = new Singleton();
            }
            unlock();
        }
        //返回一个实例化的对象
        return instance;
    }
    //c++ 嵌套的内部类，作用是删除单例类对象，Garbage被定义为Singleton的私有内嵌类，以防该类被在其他地方滥用。
    class Garbage
    {
    public:
        ~Garbage(){
            if (Singleton::instance != NULL) {
                cout << "单例类的唯一实例被析构了" << endl;
                delete Singleton::instance;
            }
        }
    };
    
private:
    //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，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；
    static Garbage garbage;
    //声明一个静态的实例
    static Singleton *instance;
    //单例类的私有构造函数
    Singleton(){
        cout << "调用了单例类的构造函数" << endl;
    }
    //单例类的私有析构函数
    ~Singleton(){
        cout << "调用了单例类的析构函数" << endl;
    }
    //把拷贝构造函数声明为私有，就可以禁止外人拷贝对象，也不用实现它，声明私有即可
    Singleton(const Singleton &copy);
    //把赋值运算符重载为私有的，防止对象之间的赋值操作
    Singleton & operator=(const Singleton &other);
};
//初始化内部似有泪的静态变量，目睹是启动删除的析构函数，如果不初始化，就不会被析构
//内部类可以访问外部类的私有成员，外部类不能访问内部类的私有成员！
Singleton::Garbage Singleton::garbage;
//初始化instance为 null
Singleton * Singleton::instance = NULL;

int main(void)
{
    Singleton *a = Singleton::getInstance();
    Singleton *b = Singleton::getInstance();
    Singleton *c = Singleton::getInstance();
    
    if (a == b) {
        cout << "a = b" << endl;
    }
    
    return 0;
}

单例类de测试，两个方法：

1、实例化多个对象，看调用了几次构造函数，如果只调用一次，说明只创建一个实例

2、单步跟踪，查看对象的地址，是否一样，一样则为一个对象

总结

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