Singleton模式（单例模式）
要点：
- 实质和特点
- 实现手法：JAVA、C++不一样，实现时应该注意那些细节。
- 生命周期的控制：Dead Reference的解决
- 多线程问题：C++：双检锁、Volatile，
JAVA：JAVA中有 lazy initialization hoder 来实现
应用场景：
数据库连接
打印机（可以有几个打印任务，但只能有一个打印机）
序列号生成（多个的话可能会导制重复）
数据库表中记录ID的生成（非单例的话可能会重复）
单例模式的特点：
单例类只能有一个实例。
单例类必须自己创建自己的唯一实例。
单例类必须给所有其它对象提供这一实例。
即：
一个私有构造函数——确保用户无法通过new直接实例它；
一个静态私有成员变量instance；
一个静态公有方法Instance()——方法负责检验并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。并且这也是一个全局访问点。
例如：
class Singleton
{
public:
static Singleton *Instance(); // 单例操作
private:
Singleton();//关闭缺省构造函数
Singleton(const Singleton&);//关闭拷贝构造函数
Singleton& operator=(const Singleton&);//关闭赋值运算符
~Singleton();//避免被外界delete
static Singleton *m_Instance; // 单例指针
};
实质：
单例对象的类必须保证只有一个实例存在
单例模式应用：
每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，避免两个打印作业同时输出到打印机。
一个具有自动编号主键的表可以有多个用户同时使用，但数据库中只能有一个地方分配下一个主键编号。否则会出现主键重复。
Singleton模式的结构：
注：Singleton模式包含的角色只有一个，就是Singleton。Singleton拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new直接实例它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量instance与静态公有方法Instance()。Instance方法负责检验并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。
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（http://blog.csdn.net/benny5609/article/details/2438922）
Design Pattern无疑是每个程序员都应该阅读的一本书，这本书给出了23个Pattern，其中最简单的就是Singleton Pattern了，这里，我大概介绍一下自己使用Singleton时曾经用到过的一些做法，希望对大家有些帮助。
意图
Single Pattern的主要是为了保证类仅有一个实例，并保证提供一个访问它的全局访问点
适用情况？？
一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时改变它的状态
一个操作包含庞大的Switch&Case语句
优点？？
它将和特定状态相关的行为局部化了，这样就可以通过定义新的子类来增加新的状态和转换。
做法1：
因为在书中并没有提及如何删除m_pInstance指针，所以就提供exitInstance()方法手动删除
class CSingleton
{
public:
virtual ~CSingleton();
static CSingleton* instance(void)
{
if(NULL == m_pInstance)
return m_pInstance = new CSingleton;
return m_pInstance;
}
void exitInstance(void)
{ delete m_pInstance;}
private
CSingleton();
static T* m_pInstance;
}
CSingleton* CSingleton::m_pInstance = NULL;
做法2:
在类中增加一个嵌套类，让这个嵌套类负责删除m_pInstance（类似于auto_ptr的原理）
class CSingleton
{
public:
virtual ~CSingleton();
static CSingleton* Instance()
{
if(NULL == m_pInstance)
m_pInstance = new CSingleton;
return m_pInstance;
}
private:
CSingleton();
static CSingleton* m_pInstance;
class Cleaner
{
public:
~Cleaner()
{ delete m_pInstance;}
}
friend class CSingleton::Cleaner;
static CSingleton::Cleaner cleaner;
}
CSingleton CSingleton::m_pInstance = NULL;
CSingleton::Cleaner CSingleton::cleaner;
做法3：
使用template的特性，建一个关于Singleton的template class,任何想使用Singleton Pattern 的类只需要从它这里继承就可以了
template
class CSingleton
{
public:
static T
{
static T instance;
return &instance;
}
protected:
CSingleton(){};
virtual ~CSingleton(){};
private:
CSingleton(const CSingleton& source){};
};
如果类CTest想使用Singleton特性
CTest : public CSingleton
{
friend CSingleton
CTest();
public:
~CTest();
}
Singleton模式的C++实现研究（示例代码）
Singleton模式面临的两个问题：
多线程中的单例模式
单例模式的销毁
Singleton是一种经过改进的全局变量，该模式的描述很简单，但实现却很复杂。特别是Singleton对象的生命周期管理是实现Singleton时最伤脑筋的地方。
本文将讨论以下几个主题：
l 与单纯的全局对象相比，Singleton的特性
l 用以支持单实例的C++基本手法
l 资源泄漏问题与Meyers Singleton
l Dead Reference问题
l Phoenix Singleton
l 带寿命的Singleton
l 多线程问题
l 在动态库中使用Singleton
1.1.1 静态数据+静态函数 ！= Singleton
Singleton好像可以由静态成员变量+静态成员函数来取代？
例如：
Class Font{…};
Class PrintPort{…};
Class PrintJob {…};
Class MyOnlyPrinter
{
Public:
Static void AddPrintJob(PrintJob& newJob)
{
If(printQueue_.empty() && printingPort_.available())
{
printingPort_.send(newJob.Data());
}
Else
{
printQueue_.push(newJob);
}
}
Private:
Static queue
Static PrinterPort printingPort_;
Static Font defaultFont_;
}
PrintJob somePrintJob(“MyDocument.txt”);
MyOnlyPrinter::AddPrintJob(somePrintJob);
上述代码有哪些缺点？
我认为主要缺点有两点：
n 代码的初始化和清理可能会有麻烦。
n 初始化工作在程序一启动时就已经完成，如果静态函数到程序退出时都没有调用，我们的初始化工作就白做了。
1.1.2 用以支持Singleton的一些C++基本手法
单实例的原始版实现代码：
class Singleton
{
public:
static Singleton *Instance(); // 单例操作
private:
Singleton();//关闭缺省构造函数
Singleton(const Singleton&);//关闭拷贝构造函数
Singleton& operator=(const Singleton&);//关闭赋值运算符
~Singleton();//避免被外界delete
static Singleton *m_Instance; // 单例指针
};
// 创建单例指针并初始化
Singleton *Singleton::m_Instance = NULL;
// 单例操作实现
Singleton *Singleton::Instance()
{
if (NULL == m_Instance)
{
m_Instance = new Singleton();
}
return m_Instance;
}
// 构造函数
Singleton::Singleton()
{
}
// 析构函数
Singleton::~Singleton()
{
}
通过上述代码，Singleton对象的唯一性在编译期就已经实现，这正是C++实现Singleton设计模式的精髓所在。
除了使用New操作符动态分配内存来实现Singleton，我们还经常通过静态变量实例方式来实现这个模式，下面给出了一种用静态变量方式实现Singleton的代码。
class Singleton
{
public:
static Singleton &Instance(); // 单例操作
private:
Singleton();//关闭缺省构造函数
Singleton(const Singleton&);//关闭拷贝构造函数
Singleton& operator=(const Singleton&);//关闭赋值运算符
~Singleton();//避免被外界delete private:
static Singleton m_Instance; // 静态单例变量
};
// 创建单例
Singleton Singleton::m_Instance; 注意C++中静态变量的初始化必须在类外面！
// 单例操作实现
Singleton &Singleton::Instance()
{
return m_Instance;
}
因为是类的静态变量，上面的代码在进程刚开始启动时就实例化了Singleton对象。
这有两个缺点：
n 初始化工作在程序一启动时就已经完成，如果静态函数到程序退出时都没有调用，我们的初始化工作就白做了；
n 初始化顺序无法确定，这可能会遇到麻烦，例如：
include “Singleton.h”
Int global = Singleton::Instance()->DoSomething();
由于无法保证编译器先初始化m_Instance，再初始化global全局变量，所以有可能在程序启动时就发生异常。
因此，虽然上述实现简单，但建议抵制住这种诱惑。
1.1.3 Meyers Singleton
对于上一节讨论的指针实现方法，我们有一个问题一直没有讨论，就是Singleton对象何时析构的问题：Singleton对象应该在何时摧毁自身实体？GoF著作中并没有讨论这个主题，事实上，这个问题确实很棘手。
其实，就算Singleton未被删除，也不会造成内存泄露。此外，当一个进程终止时，所有现代操作系统都能够将进程所用到的内存完全释放。
然而，泄露可能还是存在的，而且更隐蔽更有害，那就是资源泄漏。这是因为Singleton的构造函数可以索求广泛的资源：网络连接，OS的内核对象，IPC方法中的各种句柄，数据库连接等。
避免资源泄漏的唯一正确方法是在程序关闭时期删除Singleton对象。
对于静态变量的初始化方法，有一个改进的版本，通过利用了编译器的奇特技巧，可以摧毁Singleton对象。
Singleton &Singleton::Instance()
{
static Singleton m_Instance; // 静态单例变量
return m_Instance;
}
这一手法是由Scott Meyers（Meyers 1996a,条款26）最先提出，所以被称为Meryars singleton。函数内声明的静态变量函数内的static对象，在函数第一次被调用时初始化。
编译器会产生一些代码，保证在进程退出前析构函数会被调用。实际上在编译器产生的代码中会调用atexit函数，把单实例的析构函数注册到atexit中，保证在进程退出前会调用这个析构函数。
Atexit函数内部维护了一个堆栈，先压入栈的函数指针会后执行。
如果是静态函数实现，则在程序推出时会调用静态函数的析构方法吗？
会！只要是静态实例，在程序推出后会调用析构函数。
如果是New出来的实例，而没有显式调用析构函数呢在退出时会调用析构函数吗?
不会！如果是new出来的实例变量，如果没有显示的调用析构函数，在程序退出时并不会调用析构函数。因此，如果单例模式以此方式实现，则会产生泄露（像数据库连接、OS内核对像，网络连接等可能不会被正确关闭）
我们自己也可以显示的在代码中调用atexit，以下是实现代码。
class Singleton
{
…
private:
static void FreeInstance(void); // 释放单例变量函数
};
// 单例操作实现
Singleton Singleton::Instance()
{
if (NULL == m_Instance)
{
m_Instance = new Singleton();
// 用系统函数atexit告诉系统在程序退出的时候调用FreeInstance
atexit(FreeInstance);
}
return m_Instance;
}
// 释放单例变量函数
void Singleton::FreeInstance(void)
{
if (NULL != m_Instance)
{
delete m_Instance;
m_Instance = NULL;
}
}
1.1.4 Dead Reference问题
Meryers singleton是一种很好的Singleton的实现方式，大多数情况下，我们用这种方法实现Singleton就足够了，但有些情况下还是会有问题。
举个例子，假设有个程序使用了三个Singletons：Keyboard,Display和Log。我们以Meryers singleton来实现这三个Singletons。假设Keyboard和Display先于Log实例化，那么按照atexit后进先出的原则，在进程退出时Log应该先被析构，假设Log析构完成后，Keyboard析构函数调用时发生错误，这时需要调用Log来记日志，但Log已经被析构了，所以程序会崩溃，这就是Dead Reference问题。
首先我们看一个简单的解决方案：
// Singleton.h
class Singleton
{
public:
Singleton& Instance()
{
if (!pInstance_)
{
// Check for dead reference
if (destroyed_)
{
OnDeadReference();
}
else
{
// First call—initialize
Create();
}
}
return pInstance_;
}
private:
// Create a new Singleton and store a
// pointer to it in pInstance_
static void Create();
{
// Task: initialize pInstance_
static Singleton theInstance;
pInstance_ = &theInstance;
}
// Gets called if dead reference detected
static void OnDeadReference()
{
throw std::runtime_error("Dead Reference Detected");
}
virtual ~Singleton()
{
pInstance_ = 0;
destroyed_ = true;
}
// Data
Singleton pInstance_;
bool destroyed_;
... disabled 'tors/operator= ...
};
// Singleton.cpp
Singleton Singleton::pInstance_ = 0;
bool Singleton::destroyed_ = false;
当出现Dead Reference问题时，程序会直接抛出C++异常，这个方案廉价，简单并且不损失效率。
1.1.7 多线程问题
前面的实现代码还没有考虑多线程问题，实际绝大部分情况，程序都是运行在多线程环境下的。
对Singleton加锁的代码可以像以下这样的简单方式：
Singleton& Singleton::Instance()
{
// mutex_ is a mutex object
// Lock manages the mutex
Lock guard(mutex_);
if (!pInstance_)
{
pInstance_ = new Singleton;
}
return *pInstance_;
}
这个好用，但效率不佳。
使用所谓的双检测锁定技术可以解决效率问题：
Singleton& Singleton::Instance()
{
if (!pInstance_) // 1
{
Guard myGuard(lock_); // 2
if (!pInstance_) // 3
{
pInstance_ = new Singleton; // 4
}
}
return *pInstance_;
}
即使使用双检测锁定技术，在实践中代码也不总是正确。有些时候编译器会对上述代码进行优化，从而改变代码执行顺序，导致锁定失效。
为了避免编译器进行不必要的优化，需要在pInstance_声明前添加volatile修饰词。
1.1.8 在动态库中使用Singleton
在动态库中使用Singleton，与动态库中的静态变量的生命周期相关，经过实践，可以得出结论，我们在前面讨论的Singleton技术在动态库下运行是没有问题的。
在动态库被卸载的时候，atexit的栈中保存的指针会被调用，可以保证析构函数被执行。