Singleton 单件模式

使用单件模式的意图是保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

将单件定义为全局或静态对象，然后依赖于自动的初始化，并不能完全实现上述意图。虽然可以提供全局访问点，但这是不够的。原因如下：

1）我们不能保证静态对象只有一个实例会被声明。

2）我们可能没有足够信息在静态初始化时实例化每个单件，单件可能需要在程序运行中稍后被计算出来的值。

3）c++没有定义转换单元上全局对象的构造器的调用顺序。这意味着单件之间不存在依赖关系；如果有，那么错误将是不可避免的。

4）使用全局或静态对象的实现方法，使得所有单件无论用到与否都要被创建。

下面看一下，单件模式如何实现本有的意图并解决上面的问题。
单件实例的示例代码：

class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance();
protected:
Singleton();
private:
static Singleton * m_pInstance;
};
Singleton * Singleton::m_pInstance = NULL;
Singleton * Singleton::GetInstance()
{
if(m_pInstance == NULL)
{
m_pInstance = new Singleton;
}
return m_pInstance;
}

构造函数是保护的，客户不能自己创建该类的实例，因此只能通过静态成员函数Instance()来获取该类的实例，静态成员变量m_pInstance和静态成员函数保证了只有一个实例会被创建，而且该实例只有在第一次访问的时候被创建。

Singleton模式具有许多优点：

1）对唯一实例的受控访问。Singleton类封装它的唯一实例，可以严格控制客户怎样及何时访问它。

2）缩小命名空间。Singleton模式是对全局变量的一种改进，避免了那些存储唯一实例的全局变量污染命名空间。

3）允许对操作和表示的精华。Singleton类可以有子类，而且用这个扩展类的实例来配置一个应用是很容易的。你可以用所需要的类的实例在运行时刻配置应用。

4）允许可变数目的实例。允许Singleton类的多个实例，可以用相同的方法来控制应用所使用的实例数目，只有允许访问Singleton实例的操作需要改变。

5）比类操作更灵活。

下面考虑多线程情况下的Singleton。

多线程时，在if(m_pInstance == NULL)这句，可能会有多个线程进入，从而导致了多个实例的创建，也造成了内存的泄露。所以应该加上线程间的互斥操作。

多线程单件模式示例代码：

class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance();
protected:
Singleton();
private:
static Singleton * m_pInstance;
};
Singleton * Singleton::m_pInstance = NULL;
Singleton * Singleton::GetInstance()
{
if(m_pInstance == NULL)
{
Lock();
if(m_pInstance == NULL)
m_pInstance = new Singleton;
Unlock();
}
return m_pInstance;
}

这里用双检查，只有在第一次创建的时候才会去考虑互斥，以提高效率。

上面的代码还有一个问题，m_pInstance所指向的空间什么时候释放呢， 怎么样完成实例的析构操作。如果类析构行为中有关闭文件，释放资源等操作，那么我们的代码必须在合适的时机正常的析构该实例。

下面给出解决该问题的一个方法：

class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance();
protected:
Singleton();
private:
static Singleton * m_pInstance;
class Garbo
{
public:
~Garbo()
{
delete Singleton::m_pInstance;
}
};
static Garbo m_garbo;
};
Singleton * Singleton::m_pInstance = NULL;
Singleton::Garbo Singleton::m_garbo; // 不要忘记此处的定义
Singleton * Singleton::GetInstance()
{
if(m_pInstance == NULL)
{
Lock();
if(m_pInstance == NULL)
m_pInstance = new Singleton;
Unlock();
}
return m_pInstance;
}

上述方法在Singleton内定义了一个私有内嵌类，防止该类在其他地方使用。程序运行结束时，系统会调用Singleton类静态成员的m_garbo的析构函数，该析构函数会释放m_pInstance实例并进行析构操作。
另外还有一种方法，但是该方法处理线程安全问题比较复杂，这里暂不考虑线程安全，只考虑析构问题：

（未考虑线程安全）：

class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance();
protected:
Singleton();
};
Singleton * Singleton::GetInstance()
{
static Singleton instance;
return &instance;
}

这种方法仅在第一次调用GetInstance时初始化该类，在程序结束时自动析构。代码简短，是一种有效的方法。不过，不管是否用到该类，都要为该类分配空间，但是满足在必要的时候才执行初始化操作。

Singleton模式是比较简单的一个设计模式，应用也比较多，也常常配合其他设计模式使用。

参考资料：《设计模式-可复用面向对象软件的基础》以网上众多博客