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设计模式：单例模式

王强

发布于 2018-08-09 10:02:56

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代码可运行

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代码可运行

1 概述

想想一下这个场景，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只有一个正在工作的任务。我们怎样才能保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？一个全局变量可以使得一个对象可以被访问，但是不能防止实例化多个对象。

一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个方位该实例的方法，这就是单例模式的动机。

单例模式(Singleton Pattern)：单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式又名单件模式或单态模式。

单例模式的要点：

某个类只能有一个实例
它必须自行创建这个实例
它必须自行向整个系统提供这个实例。

2 图解

此模式太简单，没有图。

单例模式包含如下角色：

Singleton：单例

3 优缺点

优点：

提供了对唯一实例的受控访问。
缩小命名空间。Singleton模式是对全局变量的一种改进。它避免了那些存储唯一实例的全局变量污染名空间。
由于只存在一个实例，可以节约系统资源。
允许可变数量的实例。

缺点：

没有抽象层，拓展会有很大困难。
单例类职责过重，在一定程度上违背了“单一原则”。

4 应用场景

在以下情况下可以使用抽象工厂模式：

一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节，这对于所有类型的工厂模式都是重要的。
系统中有多于一个的产品族，而每次只使用其中某一产品族。
属于同一个产品族的产品将在一起使用，这一约束必须在系统的设计中体现出来。
系统提供一个产品类的库，所有的产品以同样的接口出现，从而使客户端不依赖于具体实现。

5 实例

Singleton_Uml

5.1 C++实现

singleton.h

#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H

#include <iostream>
using namespace std;

class Singleton
{
protected:
    Singleton();

public:
    static Singleton* Instance();

private:
    static Singleton* _instance;
};

#endif // SINGLETON_H

singleton.cpp

#include "singleton.h"
#include <iostream>

using namespace std;

Singleton* Singleton::_instance = 0;

Singleton::Singleton()
{
    cout << "==> Singleton." << endl;
}

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

    return _instance;
}

main.cpp

#include "singleton.h"
#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    Singleton* singleton1 = Singleton::Instance();
    Singleton* singleton2 = Singleton::Instance();

    if (singleton1 == singleton2)
        cout << "They equal." << endl;
    return 0;
}

运行结果：

==> Singleton.
They equal.

代码说明：

客户仅通过 Instance() 成员函数访问这个单例。变量 _instance 初始化为0，而静态成员函数 Instance() 使用惰性初始化；它的返回值直到被第一次访问时才创建和保存。

注意构造器是保护型的。试图直接实例化 Singleton 的客户将得到一个编译时的错误信息。这就保证了仅有一个实例可以被创建。比如，我们使用如下代码实例化：

 Singleton* singleton = new Singleton();

编译器会报出如下错误：

E:\Programming\Design Patterns\Code\C++\04_Singleton\singleton.h:10: error: 'Singleton::Singleton()' is protected
     Singleton();
     ^

5.2 Python代码

#-*- coding: utf-8 -*-

'''
  单例模式
'''
class Singleton(object):
    _instance = None       

    def __new__(cls, *args, **kw):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)  
            print('==>Singleton')
        return cls._instance  

def main():
    singleton1 = Singleton()
    singleton2 = Singleton()
    print(singleton1 is singleton2)

if __name__ == '__main__':
    main()

运行结果：

==>Singleton
True

代码分析：

在上面的代码中，我们将类的实例和一个类变量 _instance 关联起来，如果 cls._instance 为 None 则创建实例，否则直接返回 cls._instance。最后print(singleton1 is singleton2)结果为Ture，说明singleton1与singleton2为同一实例。

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