C ++ Singleton设计模式

最近，我碰到了C ++的Singleton设计模式的实现/实现。它看起来像这样（我从现实生活的示例中采用了它）：

// a lot of methods are omitted here
class Singleton
{
   public:
       static Singleton* getInstance( );
       ~Singleton( );
   private:
       Singleton( );
       static Singleton* instance;
};

从该声明中，我可以推断出实例字段是在堆上初始化的。这意味着存在内存分配。对我来说，完全不清楚的是何时确切地将要释放内存？还是有错误和内存泄漏？似乎实现中存在问题。

我的主要问题是，如何以正确的方式实施它？

在2008年，我提供了Singleton设计模式的C ++ 98实现，该模式是延迟评估，保证销毁，技术上不是线程安全的：
有人可以为我提供c ++中的Singleton示例吗？

这是Singleton设计模式的更新的C ++ 11实现，该实现是延迟评估，正确销毁和线程安全的。

class S
{
    public:
        static S& getInstance()
        {
            static S    instance; // Guaranteed to be destroyed.
                                  // Instantiated on first use.
            return instance;
        }
    private:
        S() {}                    // Constructor? (the {} brackets) are needed here.

        // C++ 03
        // ========
        // Don't forget to declare these two. You want to make sure they
        // are unacceptable otherwise you may accidentally get copies of
        // your singleton appearing.
        S(S const&);              // Don't Implement
        void operator=(S const&); // Don't implement

        // C++ 11
        // =======
        // We can use the better technique of deleting the methods
        // we don't want.
    public:
        S(S const&)               = delete;
        void operator=(S const&)  = delete;

        // Note: Scott Meyers mentions in his Effective Modern
        //       C++ book, that deleted functions should generally
        //       be public as it results in better error messages
        //       due to the compilers behavior to check accessibility
        //       before deleted status
};

请参阅本文，了解何时使用单例：（不常使用）
单例：应如何使用

请参阅有关初始化顺序及其处理方法的这两篇文章：
静态变量初始化顺序
查找C ++静态初始化顺序问题

请参阅描述寿命的文章：
C ++函数中静态变量的寿命是多少？

请参阅本文，该文章讨论对单例的一些线程含义：将单
例实例声明为GetInstance方法的静态变量，它是线程安全的吗？

请参阅这篇文章，解释为什么双重检查锁定在C ++上不起作用：
C ++程序员应该知道哪些常见的未定义行为？
Dobbs博士：C ++和双重检查锁定的风险：第一部分

作为单例，您通常不希望其被破坏。

当程序终止时，它将被拆除并释放，这是单例的正常期望行为。如果您希望能够显式清除它，则可以很容易地在类中添加一个静态方法，该方法允许您将其恢复为干净状态，并在下次使用时重新分配它，但这超出了范围。 “经典”单身人士。

您可以避免分配内存。有许多变体，在多线程环境中都存在问题。

我更喜欢这种实现方式（实际上，我没有正确说出我喜欢的方式，因为我尽可能避免单例）：

class Singleton
{
private:
   Singleton();

public:
   static Singleton& instance()
   {
      static Singleton INSTANCE;
      return INSTANCE;
   }
};

它没有动态内存分配。

@Loki Astari的回答非常好。

但是，有时在多个静态对象中，您需要能够确保单例不会被破坏，直到使用该单例的所有静态对象不再需要它为止。

在这种情况下，即使在程序结束时调用了静态析构函数，也可以使所有用户std::shared_ptr保持单例状态：

class Singleton
{
public:
    Singleton(Singleton const&) = delete;
    Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

    static std::shared_ptr<Singleton> instance()
    {
        static std::shared_ptr<Singleton> s{new Singleton};
        return s;
    }

private:
    Singleton() {}
};

另一种非分配方式：C根据需要创建一个单例，例如class ：

singleton<C>()

使用

template <class X>
X& singleton()
{
    static X x;
    return x;
}

在当前C ++中，此答案和Cătălin的答案都不会自动实现线程安全，但是在C ++ 0x中都不会。

我没有在答案中找到CRTP实现，所以这里是：

template<typename HeirT>
class Singleton
{
public:
    Singleton() = delete;

    Singleton(const Singleton &) = delete;

    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    static HeirT &instance()
    {
        static HeirT instance;
        return instance;
    }
};

要使用它，只需继承您的类，例如： class Test : public Singleton<Test>

接受的答案中的解决方案有一个很大的缺点-单例的析构main()函数在控件离开函数后被调用。当在内部分配一些从属对象时，确实可能存在问题main。

尝试在Qt应用程序中引入Singleton时遇到了这个问题。我决定，所有设置对话框都必须为Singletons，并采用上述模式。不幸的是，Qt的主类QApplication是在main函数中的堆栈上分配的，并且当没有应用程序对象可用时，Qt禁止创建/销毁对话框。

这就是为什么我更喜欢堆分配的单例。我为所有单例提供了显式init()和term()方法，并在其中调用它们main。因此，我可以完全控制单例的创建/销毁顺序，并且我保证无论是否有人呼叫，都将创建单例getInstance()。

这是一个简单的实现。

#include <Windows.h>
#include <iostream>

using namespace std;


class SingletonClass {

public:
    static SingletonClass* getInstance() {

    return (!m_instanceSingleton) ?
        m_instanceSingleton = new SingletonClass : 
        m_instanceSingleton;
    }

private:
    // private constructor and destructor
    SingletonClass() { cout << "SingletonClass instance created!\n"; }
    ~SingletonClass() {}

    // private copy constructor and assignment operator
    SingletonClass(const SingletonClass&);
    SingletonClass& operator=(const SingletonClass&);

    static SingletonClass *m_instanceSingleton;
};

SingletonClass* SingletonClass::m_instanceSingleton = nullptr;



int main(int argc, const char * argv[]) {

    SingletonClass *singleton;
    singleton = singleton->getInstance();
    cout << singleton << endl;

    // Another object gets the reference of the first object!
    SingletonClass *anotherSingleton;
    anotherSingleton = anotherSingleton->getInstance();
    cout << anotherSingleton << endl;

    Sleep(5000);

    return 0;
}

每次之后字后，仅返回一个创建的对象和该对象引用。

SingletonClass instance created!
00915CB8
00915CB8

00915CB8是单例对象的存储位置，在程序运行期间是相同的，但是（通常！）每次运行程序时都不同。

注意：这不是线程安全的。您必须确保线程安全。

如果要在堆中分配对象，为什么不使用唯一的指针。由于我们使用唯一的指针，因此内存也将被释放。

class S
{
    public:
        static S& getInstance()
        {
            if( m_s.get() == 0 )
            {
              m_s.reset( new S() );
            }
            return *m_s;
        }

    private:
        static std::unique_ptr<S> m_s;

        S();
        S(S const&);            // Don't Implement
        void operator=(S const&); // Don't implement
};

std::unique_ptr<S> S::m_s(0);

它确实可能是从堆中分配的，但是没有源就无法知道。

典型的实现（取自我已经在emacs中拥有的一些代码）将是：

Singleton * Singleton::getInstance() {
    if (!instance) {
        instance = new Singleton();
    };
    return instance;
};

...并依靠程序超出范围进行清理。

如果您在必须手动执行清理的平台上工作，我可能会添加一个手动清理例程。

这样做的另一个问题是它不是线程安全的。在多线程环境中，两个线程都可以通过“ if”，然后每个线程才有机会分配新实例（因此两者都可以）。如果仍然要依靠程序终止来清理，那么这仍然不是什么大问题。

有没有人提到的std::call_once和std::once_flag？大多数其他方法-包括双重检查锁定-都是无效的。

单例模式实现中的一个主要问题是安全初始化。唯一安全的方法是使用同步屏障来保护初始化序列。但是，这些障碍本身需要安全地启动。std::once_flag是确保安全初始化的机制。

我们最近在EECS课堂上讨论了这个主题。如果要详细查看讲义，请访问http://umich.edu/~eecs381/lecture/IdiomsDesPattsCreational.pdf

我知道有两种正确创建Singleton类的方法。

第一种方式：

实现它的方式类似于您在示例中的实现方式。至于破坏，“ Singletons通常在程序运行的过程中会忍受；大多数OS会在程序终止时恢复内存和大多数其他资源，因此有一种理由不必担心这一点。”

但是，优良作法是在程序终止时进行清理。因此，您可以使用辅助静态SingletonDestructor类来执行此操作，并将其声明为Singleton中的朋友。

class Singleton {
public:
  static Singleton* get_instance();

  // disable copy/move -- this is a Singleton
  Singleton(const Singleton&) = delete;
  Singleton(Singleton&&) = delete;
  Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
  Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;

  friend class Singleton_destroyer;

private:
  Singleton();  // no one else can create one
  ~Singleton(); // prevent accidental deletion

  static Singleton* ptr;
};

// auxiliary static object for destroying the memory of Singleton
class Singleton_destroyer {
public:
  ~Singleton_destroyer { delete Singleton::ptr; }
};

Singleton_destroyer将在程序启动时创建，并且“程序终止时，所有全局/静态对象都会被运行时库关闭代码（由链接器插入）破坏，因此the_destroyer将被破坏；其析构函数将删除Singleton，并运行其破坏者。”

第二路

这称为Meyers Singleton，由C ++向导Scott Meyers创建。只需以不同的方式定义get_instance（）即可。现在，您还可以摆脱指针成员变量。

// public member function
static Singleton& Singleton::get_instance()
{
  static Singleton s;
  return s;
}

这很干净，因为返回的值是通过引用获得的，您可以使用.语法而不是->访问成员变量。

“编译器会自动构建代码，该代码首先通过声明创建's'，而不是随后的声明，然后在程序终止时删除静态对象。”

还要注意，使用Meyers Singleton，“如果对象在终止时相互依赖，则可能会遇到非常困难的情况-Singleton相对于其他对象何时消失？但是对于简单的应用程序，这很好。”

除了此处的其他讨论之外，可能值得注意的是，您可以具有全局性，而不会将用法限制为一个实例。例如，考虑引用计数的情况...

struct Store{
   std::array<Something, 1024> data;
   size_t get(size_t idx){ /* ... */ }
   void incr_ref(size_t idx){ /* ... */}
   void decr_ref(size_t idx){ /* ... */}
};

template<Store* store_p>
struct ItemRef{
   size_t idx;
   auto get(){ return store_p->get(idx); };
   ItemRef() { store_p->incr_ref(idx); };
   ~ItemRef() { store_p->decr_ref(idx); };
};

Store store1_g;
Store store2_g; // we don't restrict the number of global Store instances

现在，main您可以在函数中的某处（例如）执行以下操作：

auto ref1_a = ItemRef<&store1_g>(101);
auto ref2_a = ItemRef<&store2_g>(201); 

ref不需要存储指向它们各自的指针，Store因为该信息是在编译时提供的。您也不必担心Store的生存期，因为编译器要求它是全局的。如果确实只有一个实例，Store那么这种方法就没有开销。对于一个以上的实例，取决于编译器对代码生成的明智程度。如果有必要，ItemRef类甚至可以做了friend的Store（你可以有模板的朋友！）。

如果Store本身是模板类，则情况会变得更混乱，但仍然可以使用此方法，也许可以通过实现具有以下签名的帮助器类：

template <typename Store_t, Store_t* store_p>
struct StoreWrapper{ /* stuff to access store_p, e.g. methods returning 
                       instances of ItemRef<Store_t, store_p>. */ };

用户现在可以StoreWrapper为每个全局Store实例创建一个类型（和全局实例），并始终通过其包装实例访问商店（从而无需使用模板参数的繁琐细节Store）。

这是关于对象生命周期管理的。假设您的软件中有多个单例。它们取决于Logger单例。在应用程序销毁期间，假设另一个单例对象使用Logger记录其销毁步骤。您必须保证Logger应该最后清理。因此，也请查看这篇文章：http : //www.cs.wustl.edu/~schmidt/PDF/ObjMan.pdf

我的实现类似于Galik的实现。区别在于我的实现允许共享指针清除分配的内存，而不是保持内存直到应用程序退出并清除静态指针。

#pragma once

#include <memory>

template<typename T>
class Singleton
{
private:
  static std::weak_ptr<T> _singleton;
public:
  static std::shared_ptr<T> singleton()
  {
    std::shared_ptr<T> singleton = _singleton.lock();
    if (!singleton) 
    {
      singleton.reset(new T());
      _singleton = singleton;
    }

    return singleton;
  }
};

template<typename T>
std::weak_ptr<T> Singleton<T>::_singleton;

您的代码是正确的，除了您没有在class外声明实例指针。静态变量的内部类声明在C ++中不视为声明，但是在其他语言（例如C＃或Java等）中允许这样做。

class Singleton
{
   public:
       static Singleton* getInstance( );
   private:
       Singleton( );
       static Singleton* instance;
};
Singleton* Singleton::instance; //we need to declare outside because static variables are global

您必须知道Singleton实例不需要由我们手动删除。我们在整个程序中只需要一个对象，因此在程序执行结束时，它将自动释放。

上面链接到该论文的文章描述了双重检查锁定的缺点，即在调用对象的构造函数之前，编译器可能会为对象分配内存并设置指向所分配内存地址的指针。在c ++中，使用分配器手动分配内存，然后使用构造调用初始化内存非常容易。使用此方法，双重检查锁定就可以正常工作。

#define INS(c) private:void operator=(c const&){};public:static c& I(){static c _instance;return _instance;}

例：

   class CCtrl
    {
    private:
        CCtrl(void);
        virtual ~CCtrl(void);

    public:
        INS(CCtrl);

简单的单例类，这必须是您的头文件

#ifndef SC_SINGLETON_CLASS_H
#define SC_SINGLETON_CLASS_H

class SingletonClass
{
    public:
        static SingletonClass* Instance()
        {
           static SingletonClass* instance = new SingletonClass();
           return instance;
        }

        void Relocate(int X, int Y, int Z);

    private:
        SingletonClass();
        ~SingletonClass();
};

#define sSingletonClass SingletonClass::Instance()

#endif

像这样访问您的单身人士：

sSingletonClass->Relocate(1, 2, 5);

我认为您应该编写一个静态函数，其中删除了您的静态对象。当您要关闭应用程序时，应调用此函数。这将确保您没有内存泄漏。