單例模式 Singleton 及其C 實現

保證乙個類只建立乙個例項。

提供對該例項的全域性訪問點。

如果系統有類似的實體（有且只有乙個，且需要全域性訪問），那麼就可以將其實現為乙個單例。實際工作中常見的應用舉例

首先看gof在描述單例模式時提出的一種實現，教科書式的例子，對c++有些經驗應該對該實現都有些印象

//標頭檔案中
class singleton  
return *instance_;
}private:
singleton()；
~singleton()；
singleton(const singleton&);
singleton& operator=(const singleton&);
private:
static singleton* instance_;
};//實現檔案中
singleton* singleton::instance_ = 0;

實現中建構函式被宣告為私有方法，這樣從根本上杜絕外部使用建構函式生成新的例項，同時禁用拷貝函式與賦值操作符（宣告為私有但是不提供實現）避免通過拷貝函式或賦值操作生成新例項。

提供靜態方法instance()作為例項全域性訪問點，該方法中先判斷有沒有現成的例項，如果有直接返回，如果沒有則生成新例項並把例項的指標儲存到私有的靜態屬性中。

注意，這裡instance()返回的例項的引用而不是指標，如果返回的是指標可能會有被外部呼叫者delete掉的隱患，所以這裡返回引用會更加保險一些。並且直到instance()被訪問，才會生成例項，這種特性被稱為延遲初始化（lazy initialization），這在一些初始化時消耗較大的情況有很大優勢。

lazy singleton不是執行緒安全的，比如現在有執行緒a和執行緒b，都通過instance_ == null的判斷，那麼執行緒a和b都會建立新例項。單例模式保證生成唯一例項的規則被打破了。

這種實現在程式開始(靜態屬性instance初始化)的時就完成了例項的建立。這正好和上述的lazy singleton相反。

//標頭檔案中
class singleton  
private:
singleton();
~singleton();
singleton(const singleton&);
singleton& operator=(const singleton&);
private:
static singleton instance;
}//實現檔案中
singleton singleton::instance;

由於在main函式之前初始化，所以沒有執行緒安全的問題，但是潛在問題在於no-local static物件（函式外的static物件）在不同編譯單元（可理解為cpp檔案和其包含的標頭檔案）中的初始化順序是未定義的。如果在初始化完成之前呼叫instance()方法會返回乙個未定義的例項。

scott meyers在《effective c++》（item 04）中的提出另一種更優雅的單例模式實現，使用local static物件（函式內的static物件）。當第一次訪問instance()方法時才建立例項。

class singleton  
private:
singleton()；
~singleton()；
singleton(const singleton&);
singleton& operator=(const singleton&);
};

c++0x之後是該實現執行緒安全的，有興趣可以讀相關的標準草案（section 6.7）編譯器支援程度不一定,但是g++4.0及以上是支援的。

lazy singleton的一種執行緒安全改造是在instance()中每次判斷是否為null前加鎖，但是加鎖是很慢的。

而實際上只有第一次例項建立的時候才需要加鎖。雙檢測鎖模式被提出來，改造之後大致是這樣

static singleton& instance
()    }
return *instance_;
}

既然只需要在第一次初始化的時候加鎖，那麼在這之前判斷一下例項有沒有被建立就可以了，所以多在加鎖之前多加一層判斷，需要判斷兩次所有叫double-checked。理論上問題解決了，但是在實踐中有很多坑，如指令重排、多核處理器等問題讓dclp實現起來比較複雜比如需要使用記憶體屏障，詳細的分析可以閱讀這篇**。

在c++11中有全新的記憶體模型和原子庫，可以很方便的用來實現dclp。這裡不展開。有興趣可以閱讀這篇文章《double-checked locking is fixed in c++11》。

在多執行緒程式設計環境下，儘管pthread_once()呼叫會出現在多個執行緒中，init_routine()函式僅執行一次，pthread_once是很適合用來實現執行緒安全單例。

template
class singleton : boost::noncopyable  
static
void
init
()    private:
static
pthread_once_t ponce_;
static t* value_;
};template
pthread_once_t singleton::ponce_ = pthread_once_init;
template
t* singleton::value_ = null;

這裡的boost::noncopyable的作用是把建構函式, 賦值函式, 析構函式, 複製建構函式宣告為私有或者保護。

單例模式的實現方法很多，要寫乙個完美的實現很難**也會很複雜。但是掌握基礎的實現還是很必要的，然後在實際應用中不斷地去優化和探索。除了執行緒安全，一些場景下還有需要考慮資源釋放，生命週期等相關問題，可以參見《modern c++ design》中對singleton的討論。

本文作者

kuntzuo

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