Singleton模式是一種非常簡單的設(shè)計模式，這種模式很常用也很容易被濫用。當(dāng)你設(shè)計應(yīng)用程序的時候，經(jīng)常會遇到某些對象在整個程序的生命周期應(yīng)該僅有一個實例的情況，比如File System，Graphic System，Logging Utility，這時候就可以用到Singleton模式。Singleton模式在GOF中描述如下：
Ensure a class only has one instance, and provide a global point of access to it.
Singleton模式的定義很簡單，實現(xiàn)也有N多種，但是卻很難找到一個稱得上“完美”的。實現(xiàn)一個完美的Singleton比想象中要難的多，下面探索性的來實現(xiàn)一個非完美的。
1.典型實現(xiàn)
在C++中，Singleton模式的典型實現(xiàn)如下：
1 // Header file Singleton.h
2 class Singleton {
3 public :
4 static Singleton& Instance() { // Unique point of access
5 if (0 == _instance)
6 _instance = new Singleton();
7 return * _instance;
8 }
9 void DoSomething();
10 private :
11 Singleton(); // Prevent clients from creating a new Singleton
12 ~Singleton(); // Prevent clients from deleting a Singleton
13 Singleton(const Singleton&); // Prevent clients from copying a Singleton
14 Singleton& operator=(const Singleton& );
15 private :
16 static Singleton *_instance; // The one and only instance
17 };
18
19 // Implementation file Singleton.cpp
20 Singleton* Singleton::_instance = 0;
通過將Singleton的構(gòu)造函數(shù)設(shè)為private可以禁止客戶代碼直接創(chuàng)建Singleton對象，除此之外，Singleton的copy constructor和copy assignment operator都為private且僅有聲明沒有實現(xiàn)，禁止了客戶代碼拷貝Singleton對象。唯一可以創(chuàng)建Singleton對象的是Singleton自己的靜態(tài)成員函數(shù)Instance，這樣就在編譯器保證了Singleton實例的唯一性。上面這些是在C++中實現(xiàn)Singleton模式最基本的要點(diǎn)。
Instance方法保證只有在第一次調(diào)用時才會生成Singleton對象，以后的調(diào)用只是簡單返回唯一的已存在的實例。Instance方法實際上實現(xiàn)的是懶惰初始化(lazy initialize)，如果程序中根本沒有用到Singleton對象，也就根本不會產(chǎn)生Singleton的實例，這在Singleton對象很少使用且創(chuàng)建Singleton對象開銷比較大的情況下特別有用。
客戶代碼現(xiàn)在可以這樣使用Singleton：
1 Singleton &s = Singleton::Instance();
2 s.DoSomething();
還需要說明的是Singleton的析構(gòu)函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)也為private可以禁止客戶寫出如下代碼。如果某個客戶寫出了如下代碼，隨后的對Singleton的訪問就會導(dǎo)致為定義行為，因為Singleton對象已經(jīng)不存在。
1 Singleton *p = & Singleton::Instance();
2 delete p;
2.引入smart pointer
上面的實現(xiàn)算是一個好的實現(xiàn)嗎？當(dāng)然不是，或許連一個正確的實現(xiàn)都算不上。如果你想湊合，當(dāng)然沒問題，上面的代碼大多數(shù)情況下可以工作的很好。也許你已經(jīng)注意到了一些問題，比如說在上面的代碼中只有new沒有delete。是的，你說會發(fā)生memory leak對吧，其實memory leak都不是主要的問題，所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)在進(jìn)程結(jié)束的時候都會對內(nèi)存很好的進(jìn)行回收。比memory leak更值得讓人擔(dān)憂的是resource leak，如果Singleton在構(gòu)造函數(shù)中請求了某些資源：網(wǎng)絡(luò)連接，文件句柄，數(shù)據(jù)庫連接等。這些資源將得不到釋放。
唯一修正resource leak的方法就是在程序結(jié)束的時候delete _instance。當(dāng)然了，用smart pointer再好不過，在這里用auto_ptr就可以滿足需要了(如果你還不知道smart_ptr是什么，花點(diǎn)時間熟悉C++標(biāo)準(zhǔn)庫吧)，修改后的代碼如下：
1 // Header file Singleton.h
2 class Singleton {
3 public :
4 static Singleton& Instance() { // Unique point of access
5 if (0 == _instance.get())
6 _instance.reset(new Singleton());
7 return * (_instance.get());
8 }
9 void DoSomething(){}
10 private :
11 Singleton(){} // Prevent clients from creating a new Singleton
12 ~Singleton(){} // Prevent clients from deleting a Singleton
13 Singleton(const Singleton&); // Prevent clients from copying a Singleton
14 Singleton& operator=(const Singleton& );
15 private :
16 friend auto_ptr<Singleton> ;
17 static auto_ptr<Singleton> _instance; // The one and only instance
18 };
19
20 // Implementation file Singleton.cpp
21 auto_ptr<Singleton> Singleton::_instance;
3.用atexit替換smart pointer
C++并沒有規(guī)定不同編譯單元(translation unit，簡單說就是一個可編譯的cpp文件)中static對象的初始化順序。如果一個程序中有多個Singleton對象，那么這些Singleton對象的析構(gòu)順序也將是任意的。很顯然，當(dāng)多個Singleton對象有依賴關(guān)系時，smart pointer根本無法保證Singleton的析構(gòu)順序。
msdn中對atexit描述如下：
The atexit function is passed the address of a function (func) to be called when the program terminates normally. Successive calls to atexit create a register of functions that are executed in last-in, first-out (LIFO) order. The functions passed to atexit cannot take parameters. atexit use the heap to hold the register of functions. Thus, the number of functions that can be registered is limited only by heap memory.
需要說明的是atexit并不比smart pointer好多少，LIFO的保證對于有復(fù)雜依賴關(guān)系的多個Singleton依然束手無力，但是用atexit替換smart pointer卻是必須的，它是設(shè)計完美Singleton的基礎(chǔ)。
#如果你疑惑atexit為什么還是不行，請考慮下面的情況：
NOTE：下面的情況在Modern C++ Design中叫做KDL(Keyboard,Display,Log)problem。
某個程序中使用了如下3個Singleton：Keyboard，Display，Log。Keyboard和Display分別對應(yīng)于計算機(jī)的鍵盤和顯示器，Log用來記錄錯誤信息。假設(shè)當(dāng)Keyboard和Display的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)出現(xiàn)錯誤時會調(diào)用Log記錄錯誤信息，并且構(gòu)造和析構(gòu)導(dǎo)致的任何錯誤都會終止程序。
在程序啟動時，如果Keyboard構(gòu)造成功，Display構(gòu)造失敗，很顯然在Display的構(gòu)造函數(shù)中將會構(gòu)造Log而且失敗信息會被Log記錄，根據(jù)假設(shè)這時候程序準(zhǔn)備退出，atexit注冊的函數(shù)將會按LIFO的順序被調(diào)用。因為Keyboard先于Log構(gòu)造，所以Log先于Keyboard析構(gòu)，但是當(dāng)由于某種原因Keyboard在析構(gòu)時失敗，想要調(diào)用Log記錄錯誤信息時，Log早已被銷毀，則Log::Instance()將會導(dǎo)致未定義行為。
#atexit的嚴(yán)重問題：
從上面的例子可以看出，atexit和smart pointer相比僅僅是有LIFO的保證而已，這樣的保證貌似也不怎么有效，因為atexit跟smart pointer一樣也無法解決KDL probleam。
atexit由于LIFO帶來了另外的問題，看下面的代碼：
1 #include <cstdlib>
2 void Bar() {
3 ...
4 }
5 void Foo() {
6 std::atexit(Bar);
7 }
8 int main() {
9 std::atexit(Foo);
10 return 0 ;
11 }
上面的小段代碼用atexit注冊了Foo，F(xiàn)oo調(diào)用了std::atexit(Bar)。當(dāng)程序退出時，根據(jù)atexit的LIFO保證，Bar在Foo之后注冊，因此Bar應(yīng)該在Foo之前調(diào)用，但是當(dāng)Bar注冊的時候Foo已經(jīng)調(diào)用了，Bar根本就沒有機(jī)會能夠在Foo之前調(diào)用。這明顯自相矛盾對吧，沒辦法，C++標(biāo)準(zhǔn)好像忽視了這一點(diǎn)，因此如果類似代碼被調(diào)用，肯定不會有什么好的結(jié)果，好一點(diǎn)是resource leak，差一點(diǎn)估計程序就崩潰了！！！
atexit的這個問題跟Singleton有關(guān)系嗎？當(dāng)然有，如果在一個Singleton的析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用atexit就會出現(xiàn)上述問題。即在KDL problem中，如果Keyboard和Display都構(gòu)造成功，當(dāng)Keyboard或Display任意一個析構(gòu)失敗時，Keyboard或Display在析構(gòu)函數(shù)中會構(gòu)造Log，Log的構(gòu)造函數(shù)會間接調(diào)用atexit。oops!!!，可怕的未定義行為。
看到這里你一定對atexit相當(dāng)失望，貌似它帶來的好處多于壞處。但是請你相信，如果適當(dāng)設(shè)計，atexit在后面的Singleton改造中會起到很重要的作用。
用atexit后的代碼：
1 // Header file Singleton.h
2 class Singleton {
3 public :
4 static Singleton& Instance() { // Unique point of access
5 if (0 == _instance) {
6 _instance = new Singleton();
7 atexit(Destroy); // Register Destroy function
8 }
9 return * _instance;
10 }
11 void DoSomething(){}
12 private :
13 static void Destroy() { // Destroy the only instance
14 if ( _instance != 0 ) {
15 delete _instance;
16 _instance = 0 ;
17 }
18 }
19 Singleton(){} // Prevent clients from creating a new Singleton
20 ~Singleton(){} // Prevent clients from deleting a Singleton
21 Singleton(const Singleton&); // Prevent clients from copying a Singleton
22 Singleton& operator=(const Singleton& );
23 private :
24 static Singleton *_instance; // The one and only instance
25 };
26
27 // Implementation file Singleton.cpp
28 Singleton* Singleton::_instance = 0;
你有沒有仔細(xì)考慮過Destroy中的_instance = 0;這一行代碼，上述代碼實際上實現(xiàn)的是
不死鳥模式(The Phoenix Singleton)，所謂不死鳥，就跟一輝一樣可以死而復(fù)生。上面的代碼可以解決本文最早提出的
KDL problem，即如果
Keyboard析構(gòu)失敗，雖然
Log已經(jīng)析構(gòu)，但是由于Destroy中的_instance = 0;這一行代碼，Log::Instance()將會創(chuàng)建一個新的
Log對象，程序?qū)憩F(xiàn)良好。當(dāng)然了，
Phoenix Singleton僅能用于無狀態(tài)的Singleton，如果
Log需要保存某些狀態(tài)，
Phoenix Singleton也不會帶來任何好處。你當(dāng)然可以用某些方法維持
Phoenix Singleton的狀態(tài)，但是在做之前先想想看是否值得，維持狀態(tài)可能會使Singleton變得特別復(fù)雜。
上面的
Phoenix Singleton已經(jīng)可以滿足大部分需要，如果你的Singleton沒有涉及到多線程，多個Singleton之間也沒有依賴關(guān)系，你大可以放心使用。但是如果你用到多線程，或者你的Singleton關(guān)系如
KDL般復(fù)雜，或者你覺得對每一個Singleton都敲同樣的代碼讓你厭煩。在后面幾篇會有一個
多線程安全的，能夠
解決多個Singleton依賴關(guān)系的，
基于模板的Singleton實現(xiàn)。