Singleton【c++面试题及其c++问题分析】

　　题目：设计一个类，我们只能生成该类的一个实例。

　　分析：只能生成一个实例的类是实现了Singleton模式的类型。

　　由于设计模式在面向对象程序设计中起着举足轻重的作用，在面试过程中很多公司都喜欢问一些与设计模式相关的问题。在常用的模式中，Singleton是唯一一个能够用短短几十行代码完整实现的模式。因此，写一个Singleton的类型是一个很常见的面试题。

　　事实上，要让一个类型是能创建一个实例不是一件很难的事情。我们可以把该类型的构造函数设为private，这样该类型的用户就不能创建该类型的实例了。然后我们在给类型中创建一个静态实例。当用户需要该类型的实例时，我们就返回这个实例。基于这个思路，我们可以用C#写出如下代码：

　　// We can only get an instance of the class Singleton1. The instance

　　// is created when class Singleton1 is referenced at the first time

　　public sealed class Singleton1

　　{

　　private Singleton1()

　　{

　　}

　　private static Singleton1 instance = new Singleton1();

　　public static Singleton1 Instance

　　{

　　get

　　{

　　return instance;

　　}

　　}

　　}

　　由于类Singleton1 的实例是一个静态变量，因此它会在该类型的第一次引用的时候被创建，而不是第一次在调用Singleton1.get_Instance的时候被创建。如果我们此时并不需要该实例，那么我们就过早地初始化该实例，无论在内存空间还是CPU时间上都是一种浪费。

　　我们可以把上面的代码稍作改动，就能实现在第一次调用Singleton_getInstance时候才会创建类型的唯一实例：

　　// We can only get an instance of the class Singleton2.

　　// The instance is created when we need it explicitly.

　　public sealed class Singleton2

　　{

　　private Singleton2()

　　{

　　}

　　private static Singleton2 instance = null;

　　public static Singleton2 Instance

　　{

　　get

　　{

　　if (instance == null)

　　instance = new Singleton2();

　　return instance;

　　}

　　}

　　}

　　我们在单线程环境下只能得到类型Singleton2的一个实例，但在多线程环境下情况就可能不同了。设想如果两个线程同时运行到语句if (instance == null)，而此时该实例的确没有创建，那么两个线程都会创建一个实例。此时，类型Singleton2就不在满足模式Singleton的要求了。

　　为了保证在多线程环境下我们还是只能得到类型的一个实例，我们应该在判断实例是否已经创建，以及在实例还没有创建的时候创建一个实例的语句上加一个同步锁。我们把Singleton2稍作修改就得到了如下代码：

　　// We can only get an instance of the class Singleton3,

　　// even when there are multiple threads which are trying

　　// to get an instance concurrently.

　　public sealed class Singleton3

　　{

　　private Singleton3()

　　{

　　}

　　private static readonly object syncObj = new object();

　　private static Singleton3 instance = null;

　　public static Singleton3 Instance

　　{

　　get

　　{

　　lock (syncObj)

　　{

　　if (instance == null)

　　instance = new Singleton3();

　　}

　　return instance;

　　}

　　}

　　}

　　说明一下，由于C/C++没有为线程同步提供直接的支持。为了让代码显得简洁，而不是让大量的代码在实现同步锁而偏离了实现Singleton的主题，本文的代码用C#实现。

　　我们还是假设有两个线程同时想创建一个实例。由于在一个时刻只能有一个线程能得到同步锁。当第一个线程加上锁时，第二个线程只能在等待。当第一个线程发现实例还没有创建时，它创建出一个实例。接着第一个线程释放同步锁。此时第二个线程可以加上同步锁，并运行接下来的代码。由于此时实例已经被第一个线程创建出来了，第二个线程就不会重复创建实例了。于是保证了我们只能得到一个实例。

　　但是类型Singleton3还不是完美。由于我们每次调用Singleton3.get_Instance的时候，都会试图加上一个同步锁。由于加锁是一个非常耗时的操作，在没有必要的时候我们应该尽量避免这样的操作。 (责任编辑：面试)