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，GUI应用必须是单鼠标，MODEM的联接需要一条且只需要一条电话线，操作系统只能有一个窗口管理器，一台PC连一个键盘。
单例模式有许多种实现方法，在C++中，甚至可以直接用一个全局变量做到这一点，但这样的代码显的很不优雅。使用全局对象能够保证方便地访问实例，但是不能保证只声明一个对象——也就是说除了一个全局实例外，仍然能创建相同类的本地实例。

教科书里的单例模式

我们都很清楚一个简单的单例模式该怎样去实现：构造函数声明为private或protect防止被外部函数实例化，内部保存一个private static的类指针保存唯一的实例，实例的动作由一个public的类方法代劳，该方法也返回单例类唯一的实例。例如：

class singleton
{
protected:
    singleton(){}
private:
    static singleton* p;
public:
    static singleton* instance();
};
singleton* singleton::p = NULL;
singleton* singleton::instance()
{
    if (p == NULL)
        p = new singleton();
    return p;
}

这是一个很棒的实现，简单易懂。但这是一个完美的实现吗？不！该方法是线程不安全的，考虑两个线程同时首次调用instance方法且同时检测到p是NULL值，则两个线程会同时构造一个实例给p，这是严重的错误！同时，这也不是单例的唯一实现！

懒汉与饿汉

单例大约有两种实现方法：懒汉与饿汉。

懒汉：故名思义，不到万不得已就不会去实例化类，也就是说在第一次用到类实例的时候才会去实例化，所以上边的经典方法被归为懒汉实现；
饿汉：饿了肯定要饥不择食。所以在单例类定义的时候就进行实例化。

特点与选择：

由于要进行线程同步，所以在访问量比较大，或者可能访问的线程比较多时，采用饿汉实现，可以实现更好的性能。这是以空间换时间。
在访问量较小时，采用懒汉实现。这是以时间换空间。

线程安全的懒汉实现

方法1：加锁的经典懒汉实现：

class singleton
{
protected:
    singleton()
    {
        pthread_mutex_init(&mutex);
    }
private:
    static singleton* p;
public:
    static pthread_mutex_t mutex;
    static singleton* initance();
};

pthread_mutex_t singleton::mutex;
singleton* singleton::p = NULL;
singleton* singleton::initance()
{
    if (p == NULL)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (p == NULL)
            p = new singleton();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return p;
}

方法2：内部静态变量的懒汉实现

此方法也很容易实现，在instance函数里定义一个静态的实例，也可以保证拥有唯一实例，在返回时只需要返回其指针就可以了。推荐这种实现方法，真得非常简单。

class singleton
{
protected:
    singleton()
    {
        pthread_mutex_init(&mutex);
    }
public:
    static pthread_mutex_t mutex;
    static singleton* initance();
    int a;
};

pthread_mutex_t singleton::mutex;
singleton* singleton::initance()
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    static singleton obj;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return &obj;
}

饿汉实现

为什么我不讲“线程安全的饿汉实现”？因为饿汉实现本来就是线程安全的，不用加锁。为啥？自己想！

class singleton
{
protected:
    singleton()
    {}
private:
    static singleton* p;
public:
    static singleton* initance();
};
singleton* singleton::p = new singleton;
singleton* singleton::initance()
{
    return p;
}

是不是特别简单呢？

以空间换时间，你说简单不简单？

进一步的讨论

《设计模式》一书中给出了一种很不错的实现，定义一个单例类，使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例，并用一个公有的静态方法获取该实例。
单例模式通过类本身来管理其唯一实例，这种特性提供了解决问题的方法。唯一的实例是类的一个普通对象，但设计这个类时，让它只能创建一个实例并提供对此实例的全局访问。唯一实例类Singleton在静态成员函数中隐藏创建实例的操作。习惯上把这个成员函数叫做Instance()，它的返回值是唯一实例的指针。
定义如下：

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()   //构造函数是私有的
	{
	}
	static CSingleton *m_pInstance;
public:
	static CSingleton * GetInstance()
	{
		if(m_pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用
			m_pInstance = new CSingleton();
		return m_pInstance;
	}
};

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：

CSingleton* p1 = CSingleton :: GetInstance();
CSingleton* p2 = p1->GetInstance();
CSingleton & ref = * CSingleton :: GetInstance();

对GetInstance稍加修改，这个设计模板便可以适用于可变多实例情况，如一个类允许最多五个实例。

单例类CSingleton有以下特征：

它有一个指向唯一实例的静态指针m_pInstance，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。

大多数时候，这样的实现都不会出现问题。有经验的读者可能会问，m_pInstance指向的空间什么时候释放呢？更严重的问题是，该实例的析构函数什么时候执行？
如果在类的析构行为中有必须的操作，比如关闭文件，释放外部资源，那么上面的代码无法实现这个要求。我们需要一种方法，正常的删除该实例。
可以在程序结束时调用GetInstance()，并对返回的指针掉用delete操作。这样做可以实现功能，但不仅很丑陋，而且容易出错。因为这样的附加代码很容易被忘记，而且也很难保证在delete之后，没有代码再调用GetInstance函数。

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。如下面的代码中的CGarbo类（Garbo意为垃圾工人）：

class CSingleton
{
private:
	CSingleton()
	{
	}
	static CSingleton *m_pInstance;
	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(CSingleton::m_pInstance)
				delete CSingleton::m_pInstance;
		}
	};
	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 CSingleton * GetInstance()
	{
		if(m_pInstance == NULL)  //判断是否第一次调用
			m_pInstance = new CSingleton();
		return m_pInstance;
	}
};

类CGarbo被定义为CSingleton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CSingleton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。

再进一步的讨论

但是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，代码如下：

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

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，当时的想法是GetInstance()函数返回一个指针而不是返回一个引用，函数的代码改为如下：

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

但我总觉的不好，为什么不让编译器不这么干呢。这时我才想起可以显示的声明类拷贝的构造函数，和重载 = 操作符，新的单例类如下：

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

关于Singleton(const Singleton);和 Singleton & operate = (const Singleton&);函数，需要声明成私有的，并且只声明不实现。这样，如果用上面的方式来使用单例时，不管是在友元类中还是其他的，编译器都是报错。
不知道这样的单例类是否还会有问题，但在程序中这样子使用已经基本没有问题了。

考虑到线程安全、异常安全，可以做以下扩展：

class Lock
{
private:       
	CCriticalSection m_cs;
public:
	Lock(CCriticalSection  cs) : m_cs(cs)
	{
		m_cs.Lock();
	}
	~Lock()
	{
		m_cs.Unlock();
	}
};
 
class Singleton
{
private:
	Singleton();
	Singleton(const Singleton &);
	Singleton& operator = (const Singleton &);
 
public:
	static Singleton *Instantialize();
	static Singleton *pInstance;
	static CCriticalSection cs;
};
 
Singleton* Singleton::pInstance = 0;
 
Singleton* Singleton::Instantialize()
{
	if(pInstance == NULL)
	{   //double check
		Lock lock(cs);           //用lock实现线程安全，用资源管理类，实现异常安全
		//使用资源管理类，在抛出异常的时候，资源管理类对象会被析构，析构总是发生的无论是因为异常抛出还是语句块结束。
		if(pInstance == NULL)
		{
			pInstance = new Singleton();
		}
	}
	return pInstance;
}

之所以在Instantialize函数里面对pInstance 是否为空做了两次判断，因为该方法调用一次就产生了对象，pInstance == NULL 大部分情况下都为false，如果按照原来的方法，每次获取实例都需要加锁，效率太低。而改进的方法只需要在第一次调用的时候加锁，可大大提高效率。