c++ 中的单例类模板的实现方法

2020 年 3 月 14 日
笔记

1、什么是单例模式

　　在架构设计时，某些类在整个系统生命周期中最多只能有一个对象存在（ Single Instance )。如超市收银系统，其外观主要由显示器（1个）、扫描枪（1个）、收款箱（1个）组成，在系统正常运行期间这三部分都是唯一存在的；也就是说，显示器、扫描枪、收款箱这三部分都应该有各自的类，并且每个类只能唯一地实例化一个对象，基于这种模式的程序设计，称为单例模式。

　　！！！单例模式只能创建一个对象，且该对象的生命周期伴随系统的整个运行期间。

2、怎么实现单例模式

　　思考：如何定义一个类，使得这个类最多只能创建一个对象？

　　分析：因为对象是由构造函数创建的，所以我们应该将问题锁定在构造函数上；又因为只能创建一个对象，这就意味着只能调用一次构造函数；显然将构造函数的访问权限设置为 public 不合适，所以，构造函数的访问权限只能是 private。然后，定义一个私有的静态成员 c_instance = NULL 和公有的静态成员函数，通过 c_instance 来判断是否创建对象。（这个为什么要使用静态成员呢？因为构造函数是私有的，在类的外部无法创建对象，只能通过类名调用静态成员，而静态成员函数只能调用静态成员变量）

　　上述分析过程可简化为：

　　（1）将构造函数的访问属性设置为 private；

　　（2）定义私有的静态成员属性 instance 并初始化为 NULL；

　　（3）当需要使用对象时，访问 instance 的值；

1）空值：创建对象，并用 instance 标记；

2）非空值：返回 instance 标记的对象；

 1 #include <iostream>   2 #include <string>   3   4 using namespace std;   5   6 class SObject   7 {   8     static SObject* c_instance;  // 定义标识符指针；   9  10     /* 不需用拷贝和赋值，在单例模式中，始终只有一个对象 */  11     SObject(const SObject&);  12     SObject& operator= (const SObject&);  13  14     SObject()  // 私有的构造函数  15     {  16     }  17 public:  18     static SObject* GetInstance();    // 创建对象的入口  19  20     void print()  21     {  22         cout << "this = " << this << endl;  23     }  24 };  25  26 SObject* SObject::c_instance = NULL; // 静态成员类内声明，类外定义  27  28 SObject* SObject::GetInstance() // 单例模式的关键  29 {  30     if( c_instance == NULL )  31     {  32         c_instance = new SObject();  33     }  34  35     return c_instance;  36 }  37  38 int main()  39 {  40     SObject* s = SObject::GetInstance();  41     SObject* s1 = SObject::GetInstance();  42     SObject* s2 = SObject::GetInstance();  43  44     s->print();    // this = 0x940a008  45     s1->print();  // this = 0x940a008  46     s2->print();  // this = 0x940a008  47  48     return 0;  49 }  50 // 注：单例模式中，对象的生命周期存在整个系统运行过程中，所以是绝对不释放的；

单例模式实现

·　其实，在上述的单例模式实现案列中，有一部分代码（分析过程中第2、3步）与类本身没有任何关系，既然是这样，我们就把这部分单独提取出来处理。

　　问题所在：需要使用单例模式时，必须在每个类中定义静态成员变量 c_instance 和静态成员函数 GetInstance()；当有多个类都需要使用单例模式时，这样的实现方式明显的很冗余，为了能够代码复用，我们可以将这两部分抽象成一个新类（做成类模板，声明为其它类的友元类，这样与之前的效果一样）。

 1 // 对上个单例模式实现代码的改进   2   3 // singleton.hpp 单例模式代码   4 #ifndef SINGLETON_H   5 #define SINGLETON_H   6   7 template   8 < typename T >   9 class Singleton  10 {  11     static T* c_instance;  12 public:  13     static T* GetInstance();  14 };  15  16 template  17 < typename T >  18 T* Singleton<T>::c_instance = NULL;  19  20 template  21 < typename T >  22 T* Singleton<T>::GetInstance()  23 {  24     if( c_instance == NULL )  25     {  26         c_instance = new T();  27     }  28  29     return c_instance;  30 }  31  32 #endif  33  34 // main.cpp 测试文件  35 #include <iostream>  36 #include <string>  37 #include "singleton.hpp"  38  39 using namespace std;  40  41 class SObject  42 {  43     friend class Singleton<SObject>;    // 当前类需要使用单例模式  44  45     SObject(const SObject&);  46     SObject& operator= (const SObject&);  47  48     SObject()  49     {  50     }  51 public:  52  53     void print()  54     {  55         cout << "this = " << this << endl;  56     }  57 };  58  59 int main()  60 {  61     SObject* s = Singleton<SObject>::GetInstance();  62     SObject* s1 = Singleton<SObject>::GetInstance();  63     SObject* s2 = Singleton<SObject>::GetInstance();  64  65     s->print();    // 0xe63c20  66     s1->print();  // 0xe63c20  67     s2->print();  // 0xe63c20  68  69     return 0;  70 }

基于类模板的单例模式实现

　　在今后工作中，如果一个类（SObject）要使用单例模式（Singleton 单例模式的类模板），只需三步骤：

　　（1）类（SObject）的构造函数必须私有化；同时，拷贝构造函数、重载=操作符也私有化；

　　（2）将单例模式的类模板声明为这个类的友元类； friend class Singleton<SObject>;

　　（3）通过单例模式类模板中 SObject* s = Singleton<SObject>::GetInstance(); 创建对象。