设计模式：单例模式

引言：本文主要介绍设计模式中的单例模式，并给出C++实现。

介绍

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，操作系统只能有一个任务管理器，一台PC连一个键盘，工程中的通用配置类等。

实现

实现一

class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance(){
        // 先检查对象是否存在
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
        }
        return m_instance;
    }
private:
    Singleton(); //私有构造函数，不允许使用者自己生成对象
    static Singleton* m_instance; //静态成员变量 
};

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。

这种实现方法有以下几个特点：

它有一个指向唯一实例的静态指针m_instance，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。

但是这种实现方法存在两个问题：一是m_instance指向的空间是动态分配的，需要显式进行释放；二是这种方法不是线程安全的。对于第一个问题，可能有人会说，直接在析构函数中进行delete就可以释放了啊，但是这样会存在问题，因为**在类的析构函数中delete类自身实例的指针，delete又会调用析构函数，这样就会出现循环调用的问题，会造成栈内存溢出，因此编译器不允许这么做。**下面我们针对这两个问题一一进行分析

实现二

class Singleton
{
private:
    Singleton()
    {
    }
    static Singleton *m_instance;
    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(Singleton::m_instance)
                delete Singleton::m_instance;
        }
    };
    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
public:
    static Singleton * getInstance()
	{
        if(m_instance == NULL)  //判断是否第一次调用
            m_instance = new Singleton();
        return m_instance;
    }
};

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。如上面的代码中的CGarbo类（Garbo意为垃圾工人），类CGarbo被定义为Singleton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Singleton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。

实现三

class Singleton
{
private:
    Singleton()   //构造函数是私有的
    {
    }
public:
    static Singleton & getInstance()
	{
        static Singleton instance;   //局部静态变量
        return instance;
    }
};

实现二中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，代码如上，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拷贝构造函数，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，所以可以让getInstance()返回一个指针，代码变成这样：

class Singleton
{
private:
    Singleton()   //构造函数是私有的
    {
    }
public:
    static Singleton * getInstance()
	{
        static Singleton instance;   //局部静态变量
        return &instance;
    }
};

也可以显式禁用类的拷贝构造函数和赋值运算符：

class Singleton
{
private:
    Singleton()   //构造函数是私有的
    {
    }
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton & operator = (const Singleton &) = delete;
public:
    static Singleton & getInstance()
	{
        static Singleton instance;   //局部静态变量
        return instance;
    }
};

实现四

我们从头到尾都还没考虑线程安全问题，但是如果使用实现三的方法，就避免了线程安全，这是因为：在c++ 11新标准中，静态局部变量是线程安全的。所以最终的单例模式实现版本为：

class Singleton
{
private:
    Singleton()   //构造函数是私有的
    {
    }
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton & operator = (const Singleton &) = delete;
public:
    static Singleton & getInstance()
	{
        static Singleton instance;   //局部静态变量
        return instance;
    }
};