Singleton 模式-GoF 23 种设计模式精解系列-附 C++实现源码

前言

尊重原创，本系列文本解析部分主要基于Candidate for Master’s Degree School of Computer Wuhan University的K_Eckel（[email protected]）《设计模式精解-GoF 23 种设计模式解析附 C++实现源码》。为了避免重造轮子，本系列博文对源码在ubuntu16.04下做了验证并上传到了gitee，再次感谢。

如有问题，可邮件联系我([email protected])并共同探讨解决方案。

Singleton模式简介：

 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。《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。

问题

Singleton 模式解决问题十分常见,我们怎样去创建一个唯一的变量(对象)?在基于对象的设计中我们可以通过创建一个全局变量(对象)来实现,在面向对象和面向过程结合的设计范式(如 C++中)中,我们也还是可以通过一个全局变量实现这一点。但是当我们遇到了纯粹的面向对象范式中,这一点可能就只能是通过 Singleton 模式来实现了,可能这也正是很多公司在招聘 Java 开发人员时候经常考察 Singleton 模式的缘故吧。
Singleton 模式在开发中非常有用,具体使用在讨论给出。

模式选择

Singleton 模式典型的结构图为:

图 1:Singleton Pattern 结构图

在 Singleton 模式的结构图中可以看到,我们通过维护一个 static 的成员变量来记录这个唯一的对象实例。通过提供一个 staitc 的接口 instance 来获得这个唯一的实例。

实现

完整代码示例(code)

Singleton 模式的实现比较简单,这里为了方便初学者的学习和参考,将给出完整的实现代码(所有代码采用 C++实现,并在 Visual Studio Code，Version: 1.36.1 下测试运行)。

源码gitee地址：点击这里

代码目录结构：

patten@patten-hp:~/workspace/others/cpp/designPatterns/creatingPattern/Singleton/src$ tree ../
../
├── include
│   └── Singleton.h
└── src
    ├── main.cpp
    └── Singleton.cpp

2 directories, 3 files

Singleton.h:

// Singleton.h

#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_

#include <iostream>

using namespace std;

class Singleton {
 private:
  static Singleton* _instance;

 protected:
  Singleton(/* args */);

 public:
  ~Singleton();
  static Singleton* Instance();
};

#endif //~_SINGLETON_H_

Singleton.cpp:

//Singleton.cpp

#include "../include/Singleton.h"
#include <iostream>

using namespace std;

Singleton* Singleton::_instance = 0;

Singleton::Singleton(){
    printf("Singleton.... \n");
}

Singleton* Singleton::Instance(){
    if (_instance == 0){
        _instance = new Singleton();
    }

    return _instance;
}

main.cpp:

// main.cpp
#include <iostream>
#include "../include/Singleton.h"

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
  Singleton* sgn = Singleton::Instance();
  
  return 0;
}

代码说明

Singleton 模式的实现无须补充解释,需要说明的是,Singleton 不可以被实例化,因此我们将其构造函数声明为 protected 或者直接声明为 private。

编译运行结果：

patten@patten-hp:~/workspace/others/cpp/designPatterns/creatingPattern/Singleton/src$ g++ *.cpp -std=c++11
patten@patten-hp:~/workspace/others/cpp/designPatterns/creatingPattern/Singleton/src$ ./a.out 
Singleton.... 
patten@patten-hp:~/workspace/others/cpp/designPatterns/creatingPattern/Singleton/src$

讨论

Singleton 模式在开发中经常用到,且不说我们开发过程中一些变量必须是唯一的,比如说打印机的实例等等。

Singleton 模式经常和 Factory(AbstractFactory)模式在一起使用,因为系统中工厂对象一般来说只要一个,笔者在开发 Visual CMCS 的时候,语义分析过程(以及其他过程)中都用到工厂模式来创建对象(对象实在是太多了),这里的工厂对象实现就是同时是一个Singleton 模式的实例,因为系统我们就只要一个工厂来创建对象就可以了。

前言

目录

创建型模式(Creating Pattern)

结构型模式（Structrual Pattern）

行为型模式（Behavioral Pattern）