Singleton设计模式的C++实现详解

灰太狼 2022-09-17 14:22 159阅读 0赞

Singleton

The Singleton Pattern: ensures a class has only one instance, and provides a global point of access to it.  
只有一个实例的类，如下是若干考虑：  
 首先，要产生类实例，需要调用构造函数。为了防止用户申明或者new一个类的实例，我们可以把这个类的构造函数设置为protected或者private，那么用户申明或者new就不可能编译通过，当然，delete也是不允许的，也申明为protected或者private  
 可是，我们在哪里创建类实例呢？虽然外部不能创建类的对象，但是类的内部，是可以调用构造函数，从而可以创建类实例的。我们给类的外部提供一个方法GetInstance()。它在没有类实例时创建类实例并返回实例（指针或引用）；在有实例时，直接返回已有实例。这样我们就需要保存实例的指针以备GetInstance()使用，该指针也应该定义在类上，否则在没有类实例之前，怎么给这个成员变量赋值呢？如此，第一个版本得到：  
  class   Singleton     
  \{     
  public:     
          static   Singleton&   Instance()     
          \{     
                  if   (!si\_instance)     
                  \{     
                          si\_instance   =   new   Singleton;     
                  \}     
                  return   \*si\_instance;     
          \}     
  private:     
          //禁止外部构造函数调用   
          Singleton()\{\}  
          //对象静态指针，用于保存创建的对象  
          static   Singleton\*   si\_instance; //声明静态数据成员  
  \};  
  Singleton\* Singleton::si\_instance=0; //定义并初始化全局存贮，局部作用的静态数据成员  
 Static用在类外：  
 static和extern都是變量的存贮类型,申明為static的變量,不能被其他文件（指目标文件）引用,extern可以被本文件和其他文件引用（指目标文件）。不能同時使用它們申明同一個變量。它們的共同點是存放位置都在程序的static   memory中（全局存贮）。   
 其中static可以用于局部變量的申明，此時每次Call   Function時，其中的Static局部變量的值不執行初始化，即保留上一次引用結束後的值。  
 extern是default的申明。     
 不提倡使用static局部變量。     
 具體的使用還與編譯器有關，以上的說明建立在ANSI   C所定義的C   Complier基礎上。   
 CPP文件产生目标文件，显然，CPP文件include的头文件中的static或extern变量在CPP中仍然有效（非只在头文件中有效）。链接时，static变量只在本obj内可引用，而extern则在所有obj内可引用（这样就可能会重名，出现重定义错误，所以才引入static关键字）。对于静态全局函数，也是用于限制这个全局函数在本obj文件中。  
 Static用在类定义中：  
 类是类型的定义。类中的所有成员的定义均是一个申明，说明这个类的内部构成。只有产生类的实例的代码，才需要为类的成员分配存贮空间，或在栈上，或在堆中。  
 为处理定义在类上的变量，我们用static修饰该成员。这时static的语义是该成员是一个extern类型的全局变量。由于类定义是申明，比如在类fun中申明static int i，而i并没有被定义（产生实例），我们需要在类的外部定义并初始化fun::i,这就是为什么类中的静态变量必须初始化，且必须在类外初始化。  
 然而，这又带来了额外的问题，那就是如果在多个CPP都包含了类fun定义文件，那么对fun::i的定义并初始化语句就会在多个CPP文件中出现，链接就无法通过！  
 这就是为什么要区分头文件和CPP文件的原因。我们把“申明”写在头文件中，把“定义”（也就是会产生实例的代码）写在CPP文件中，因为我们从不include CPP文件，所以，定义fun::i只有一次！！！这个原则同样适用于类的方法。类的方法f()如果在类的外部实现，也应该写在CPP中，否则当头文件被多个CPP文件引用时，就会出错。如果把成员函数体直接写在类中，那么不会有问题，尽管多个包含类头文件的CPP文件的obj都产生了fun::f()，但是，这个函数定义的作用域不会超出这个类的代码块，因此不会冲突。编译时实际上产生了这个函数的多个副本，每个副本只在局部作用。链接时用到的副本会写入exe文件，甚至被处理为内联函数。相对的，如果把fun::f()写在类的实现CPP文件中，那么就只在编译时产生一个fun::f()代码，看起来编译会较少花费时间。  
 对于类的成员函数，用static修饰时，表示它是一个定义在类上的方法，函数并没有存贮类别一说，这个寒暑不需要传递this指针就可以调用，即通过类名就可以引用，当然，如果创建了类对象，通过对象也可以引用。普通的成员函数则需要通过this指针来使用（实际上是传递了this指针给那个函数）  
 小结：在定义性代码（类外的代码）中，static保证修饰对象生存期为程序运行全过程，在代码块中定义，作用域在代码块中，在代码块外（全局定义），作用域是obj文件  
在申明性代码中（类中），static保证修饰对象的生存期是程序执行全过程，作用域是全局，因为是申明，不是定义，所以对于成员变量需要在类外部定义全局的成员，对于成员函数在外部和内部定义都可以，因为static仅说明不传递this指针给该函数。  
 这个版本有一个问题，就是对象创建了，可是在哪里删除这个对象呢？我们是在类的内部new对象的，外部没有new，那么外部也不应该去delete。Si\_instance是一个静态变量，用来保存指针，它实际上是一个全局变量，也就是说，它在进程加载时存在，在进程退出时才销毁（main()程序结束后）。那么能不能在si\_instance销毁时删除对象呢？可以，如果我们使用标准库的的auto\_ptr，但是，为了使得auto\_ptr能够delete创建的对象，需要把它设置为Singleton的友元类，得到如下可测试的代码：  
//Singleton.h  
\#include <memory>    
\#include <iostream>  
using namespace std;  
class   Singleton     
  \{     
   friend class auto\_ptr<Singleton>;

public:     
          static   Singleton\*   Instance()     
          \{     
                  if   (!si\_instance.get())     
                  \{     
                          si\_instance.reset(new   Singleton);     
                  \}     
                  return   si\_instance.get();     
          \}   
     
  private:     
          ~Singleton()\{cout<<"delete Singleton";\} //禁止外部delete  
          //禁止外部构造函数调用   
          Singleton()\{\}  
          //对象静态指针，用于保存创建的对象  
          static   auto\_ptr<Singleton>   si\_instance;  
  \};  
//Singleton.cpp  
\#include “Singleton.h”  
auto\_ptr<Singleton> Singleton::si\_instance(NULL); //静态变量需要在类的外部初始化  
//test.cpp  
\#include “Singleton.h”  
void main()  
\{  
 Singleton\* ps=Singleton::Instance();  
\}  
 在单线程的情况下，上面的代码已经可以了，但是如果有多个线程，那么，在一开始，有两个线程调用Instance,发现指针为空，于是两个线程都创建对象，就会出错，也就是说上面的代码线程不安全。那么线程怎么同步呢？使用CriticalSection是一个好办法。可以使用windows API的CriticalSection也可以使用MFC的CCriticalSection。后者使用要简单一些，不需要初始化，可以有lock，unlock方法方便使用，可是要用到MFC,根据奥卡姆剃刀原则，能不引入额外的概念就不引入额外的概念。因此使用前者。但是问题是：  
 在哪里定义CriticalSection?它最好具有局部作用域，同时又在程序执行期间生存，考虑到它和Singleton紧密相关，那么把它声明为Singleton的一个static成员是最合适的了，在类外定义它(Singleton.cpp中)  
 此外，CriticalSection需要调用initiallize()来初始化，在哪里执行这个语句呢？在main()函数中显然不可以，客户不应该关心Singleton的线程安全实现；在Singleton的构造函数中？也不行，构造函数在创建Singleton对象创建之后调用，而在此之前，CriticalSection就必须工作了！可行的办法有一个，就是让Singleton有一个CresGuard类型的静态类成员，那么这个静态类成员需要在类外初始化吧?那么它的构造函数会被调用吧？好，在其构造函数中initiallize() CriticalSection。这样想似乎没有问题，在Singleton里定义静态的CriticalSection，和静态的CresGuard，然后，在CresGuard的构造函数里初始化CriticalSection。可是，万一CresGuard初始化时，构造函数调用，而此时CriticalSection还没有创建呢？这会导致initialize()的调用失败。它们都是局部作用，全程生存，程序不能依赖于他们的创建顺序。那么，就把CriticalSection放到CresGuard里，作为一个成员吧。这下问题又来了，CresGuard的静态成员CriticalSection必须在CresGuard类外初始化，在构造函数中是不行的！那么就定义其为非静态的吧，因为CresGuard是静态的，CriticalSection就不需要定义为静态了。得到如下代码：  
//CresGuard.h  
\#include   <windows.h>   
class CresGuard  
\{  
private:  
 CRITICAL\_SECTION cs; //临界区  
public:  
 CresGuard()\{InitializeCriticalSection(&cs);\}  
 ~CresGuard()\{DeleteCriticalSection(&cs);\}  
 void lock()\{EnterCriticalSection(&cs);\}  
 void unlock()\{LeaveCriticalSection(&cs);\}  
\};  
//Singleton.h  
\#include "CresGuard.h"  
\#include <memory>    
\#include <iostream>  
using namespace std;  
class   Singleton     
  \{     
   friend class auto\_ptr<Singleton>;  
  public:  
   static CresGuard cresguard;  
  public:     
          static   Singleton\*   Instance()     
          \{     
     cresguard.lock();   
     if   (!si\_instance.get())     
      \{     
        si\_instance.reset(new   Singleton);     
      \}     
     cresguard.unlock();  
                  return   si\_instance.get();     
          \}   
  private:     
      ~Singleton()\{cout<<"delete Singleton";\} //作为测试用  
        //禁止外部构造函数调用   
          Singleton()\{\}  
          //对象静态指针，用于保存创建的对象  
          static   auto\_ptr<Singleton>   si\_instance;  
  \};  
//test.cpp  
\#include "Singleton.h"  
  void main()  
\{  
 Singleton\* ps=Singleton::Instance();  
\}  
 现在代码线程安全了，可是，如果一个线程进入临界区代码并发生异常，那么我们不能保证unlock()会被执行,那么其他线程调用Instance时就会挂起等待。办法之一就是使用try..catch语句，保证unlock()得到执行。更好的办法是，所有栈上的变量系统保证离开该代码块时销毁，那么如果用一个自动变量，其创建时lock，销毁时unlock，就可以不同try…catch语句。我们把这个自动变量的类型处理为类类型，在其构造函数和析构函数中lock和unlock，如果我们把它看成一个锁，那么在临界区代码块开头就定义一个这个锁，在临界区代码块（用\{\}括起来）结束时锁自动销毁解锁。这个锁的类型定义，干脆就放在CresGuard里，使之成为一个整体。在取名上，我们处理为这个锁锁CresGuard,即类名是LockCresGuard。得到如下代码：  
//CresGuard.h  
\#include   <windows.h>   
class CresGuard  
\{  
private:  
 CRITICAL\_SECTION cs; //临界区  
 void lock()\{EnterCriticalSection(&cs);\}  
 void unlock()\{LeaveCriticalSection(&cs);\}  
public:  
 CresGuard()\{InitializeCriticalSection(&cs);\}  
 ~CresGuard()\{DeleteCriticalSection(&cs);\}  
  //嵌套类，构造析构调用CresGuard对象.lock/unlock  
 class LockCresGuard  
 \{  
 private:  
  CresGuard& \_cres;  
 public:  
  LockCresGuard(CresGuard& cres):\_cres(cres)\{\_cres.lock();\}  
  ~LockCresGuard()\{\_cres.unlock();\}  
 \};  
\};  
//Singleton.h  
\#include "CresGuard.h"  
\#include <memory>    
\#include <iostream>  
using namespace std;  
class   Singleton     
  \{     
   friend class auto\_ptr<Singleton>;  
  private:  
     static CresGuard cresguard;  
public:  
  public:     
          static   Singleton\*   Instance()     
          \{     
     //下面声明锁变量，其初始化时调用cresguard.lock  
     CresGuard::LockCresGuard lock(cresguard);   
     if   (!si\_instance.get())     
      \{     
        si\_instance.reset(new   Singleton);     
      \}     
                  return   si\_instance.get();     
          \} //这里lock析构，调用cresguard.unlock  
  private:     
      ~Singleton()\{cout<<"delete Singleton";\} //作为测试用  
        //禁止外部构造函数调用   
          Singleton()\{\}  
          //对象静态指针，用于保存创建的对象  
          static   auto\_ptr<Singleton>   si\_instance;  
  \};  
//Singleton.cpp  
\#include "Singleton.h"  
CresGuard Singleton::cresguard;  
auto\_ptr<Singleton> Singleton::si\_instance(NULL); //静态变量需要在类的外部初始化  
//test.cpp  
\#include "Singleton.h"  
  void main()  
\{  
 Singleton\* ps=Singleton::Instance();  
 //ps=new Singleton; //无法执行，构造私有  
 //delete ps; //无法执行,析构私有  
\}  
 基本上成型了，但是，每次调用Singleton的Instance时，都要同步线程，可以说是很不好的，因为会影响性能，该函数被多个线程反复多次地调用，甚至频繁地调用，我们可以使用double\_check lock，也就是说：先看看si\_instance.get()空不空，不空，直接返回，空再同步线程（加锁），再看看空不空，若空创建实例，若不空，返回。这样做的好处是，在Singleton创建第一个实例后，后面的调用都不同步线程，当然也不创建锁的自动变量，程序速度也提高了。Double check是为了提升性能，线程安不安全，要看临界区，不相干的。修改代码如下：  
          static   Singleton\*   Instance()     
          \{     
       
     if   (!si\_instance.get())     
      \{ //下面声明锁变量，其初始化时调用cresguard.lock    
       CresGuard::LockCresGuard lock(cresguard);   
       if   (!si\_instance.get())     
       si\_instance.reset(new   Singleton);     
      \} //这里lock析构，调用cresguard.unlock    
                  return   si\_instance.get();     
          \}  
 类写完了，如何通用？  
 首先很容易将Singleton改写为返回一个T型实例的模板，只要修改若干位置即可。  
 那我有一个返回T型实例的Singleton，我能不能构造一个单实例的类？当然可以，只要：  
 定义一个新类，将其构造和析构函数设置为私有或保护  
 将Singleton<该类>和auto\_ptr<该类>设为该类的有元，前者要调用该类的构造函数，后者要调用该类的析构函数  
//Singleton.h  
\#include "CresGuard.h"  
\#include <memory>    
\#include <iostream>  
using namespace std;  
template <class T>  
class   Singleton     
  \{     
   friend class auto\_ptr<T>;  
  private:  
     static CresGuard cresguard;  
public:  
  public:     
          static   T\*   Instance()     
          \{     
       
     if   (!si\_instance.get())     
      \{ //下面声明锁变量，其初始化时调用cresguard.lock    
       CresGuard::LockCresGuard lock(cresguard);   
       if   (!si\_instance.get())     
       si\_instance.reset(new   T);     
      \} //这里lock析构，调用cresguard.unlock    
                  return   si\_instance.get();     
          \}   
  private:     
      ~Singleton()\{cout<<"delete Singleton";\} //作为测试用  
        //禁止外部构造函数调用   
          Singleton()\{\}  
          //对象静态指针，用于保存创建的对象  
          static   auto\_ptr<T>   si\_instance;  
  \};  
template <class T>  
CresGuard Singleton<T>::cresguard;  
template <class T>  
auto\_ptr<T> Singleton<T>::si\_instance(NULL); //静态变量需要在类的外部初始化  
注意静态变量被挪到头文件中了，因为模板表示类型的类型，模板的实例化是类型，这是因为如果放在原CPP文件中，编译时不知道用什么类型带入T，因为这时是编译Singleton.h+Singleton.CPP，编译器不知道使用哪个具体的类带入T;而在编译myclass.cpp+Singleton.h，又没有singleton.cpp，结果就静态变量被当作了外部符号，链接时就会出错。目前VC都是采用包含编译的方式编译模板，也就是编译时，必须包含模板的定义，而不仅仅是声明  
相关的其他代码：  
//myclass.h  
\#include "Singleton.h"  
class myclass  
\{  
 friend  class Singleton<myclass>;  
 friend  class auto\_ptr<myclass>;  
private:  
 myclass()\{cout<<"Construct myclass/n";\}  
 ~myclass()\{cout<<"Destruct myclass/n";\}  
public:  
 static myclass\* Instance()\{return Singleton<myclass>::Instance();\}  
\};  
//test.cpp  
\#include "myclass.h"  
  void main()  
\{

myclass\* pmyclass=myclass::Instance();  
 myclass\* pmyclass1=myclass::Instance();  
 myclass\* pmyclass2=myclass::Instance();

\}  
 但是，写起来还是麻烦，用宏整理一下：  
//Singleton.h  
\#include "CresGuard.h"  
\#include <memory>    
\#include <iostream>  
using namespace std;  
template <class T>  
class   Singleton     
  \{     
   friend class auto\_ptr<T>;  
  private:  
     static CresGuard cresguard;  
public:  
  public:     
          static   T\*   Instance()     
          \{     
       
     if   (!si\_instance.get())     
      \{ //下面声明锁变量，其初始化时调用cresguard.lock    
       CresGuard::LockCresGuard lock(cresguard);   
       if   (!si\_instance.get())     
       si\_instance.reset(new   T);     
      \} //这里lock析构，调用cresguard.unlock    
                  return   si\_instance.get();     
          \}   
  private:     
      ~Singleton()\{cout<<"delete Singleton";\} //作为测试用  
        //禁止外部构造函数调用   
          Singleton()\{\}  
          //对象静态指针，用于保存创建的对象  
          static   auto\_ptr<T>   si\_instance;  
  \};  
template <class T>  
CresGuard Singleton<T>::cresguard;  
template <class T>  
auto\_ptr<T> Singleton<T>::si\_instance(NULL); //静态变量需要在类的外部初始化  
//下面是宏定义，用/连接多行，表示一行  
\#define DECLARE\_SINGLETON(type) /  
 friend  class Singleton<type>;/  
 friend  class auto\_ptr<type>;/  
private:/  
 type()\{cout<<"Construct type/n";\}/  
 ~type()\{cout<<"Destruct type/n";\}/  
public:/  
 static type\* Instance()\{return Singleton<type>::Instance();\}

使用：  
\#include "Singleton.h"  
class myclass  
\{  
DECLARE\_SINGLETON(myclass)  
… …  
\};

 每一个Singleton也许有其自己的个性，在构造和析构的时候，可能会有额外的操作，我们将其延伸至以下两个纯虚函数中来，由每个Singleton类自己去完成，最终代码：  
//CresGuard.h  
\#include   <windows.h>   
class CresGuard  
\{  
private:  
 CRITICAL\_SECTION cs; //临界区  
 void lock()\{EnterCriticalSection(&cs);\}  
 void unlock()\{LeaveCriticalSection(&cs);\}  
public:  
 CresGuard()\{InitializeCriticalSection(&cs);\}  
 ~CresGuard()\{DeleteCriticalSection(&cs);\}  
  //嵌套类，构造析构调用CresGuard对象.lock/unlock  
 class LockCresGuard  
 \{  
 private:  
  CresGuard& \_cres;  
 public:  
  LockCresGuard(CresGuard& cres):\_cres(cres)\{\_cres.lock();\}  
  ~LockCresGuard()\{\_cres.unlock();\}  
 \};  
\};  
//Singleton.h  
\#include "CresGuard.h"  
\#include <memory>    
\#include <iostream>  
using namespace std;  
template <class T>  
class   Singleton     
  \{     
   friend class auto\_ptr<T>;  
  private:  
     static CresGuard cresguard;  
public:  
  public:     
          static   T\*   Instance()     
          \{     
       
     if   (!si\_instance.get())     
      \{ //下面声明锁变量，其初始化时调用cresguard.lock    
       CresGuard::LockCresGuard lock(cresguard);   
       if   (!si\_instance.get())     
       si\_instance.reset(new   T);     
      \} //这里lock析构，调用cresguard.unlock    
                  return   si\_instance.get();     
          \}   
  private:     
      ~Singleton()\{cout<<"delete Singleton";\} //作为测试用  
        //禁止外部构造函数调用   
          Singleton()\{\}  
          //对象静态指针，用于保存创建的对象  
          static   auto\_ptr<T>   si\_instance;  
  \};  
template <class T>  
CresGuard Singleton<T>::cresguard;  
template <class T>  
auto\_ptr<T> Singleton<T>::si\_instance(NULL); //静态变量需要在类的外部初始化

\#define DECLARE\_SINGLETON(type) /  
 friend  class Singleton<type>;/  
 friend  class auto\_ptr<type>;/  
protected:   /  
private:/  
 type()\{cout<<"Construct type/n";InitialInstance();\}/  
 ~type()\{cout<<"Destruct type/n";DisposeInstance();\}/  
public:/  
 static type\* Instance()\{return Singleton<type>::Instance();\}  
//myclass.h  
\#include "Singleton.h"  
class myclass  
\{  
//下面几行必须有  
DECLARE\_SINGLETON(myclass)  
protected:     
          virtual   void   InitialInstance()\{cout<<"InitialInstance";\}     
          virtual   void   DisposeInstance()\{cout<<"DisposeInstance";\}   
//下面可以写自己想写的... ...  
\};  
//test.cpp  
\#include "myclass.h"  
  void main()  
\{

//ps=new Singleton; //无法执行，构造私有  
 //delete ps; //无法执行,析构私有  
 myclass\* pmyclass=myclass::Instance();  
 myclass\* pmyclass1=myclass::Instance();  
 myclass\* pmyclass2=myclass::Instance();