C++完美實現Singleton模式

Singleton模式是常用的設計模式之一，但是要實現一個真正實用的設計模式卻也不是件容易的事情。

1. 標準的實現

class Singleton

{

public:

static Singleton * Instance()

{

if( 0== _instance)

{

_instance = new Singleton;

}

return _instance;

}

protected:

Singleton(void)

{

}

virtual ~Singleton(void)

{

}

static Singleton* _instance;

};

這是教科書上使用的方法。看起來沒有什麼問題，其實包含很多的問題。下面我們一個一個的解決。

2. 自動垃圾回收

上面的程序必須記住在程序結束的時候，釋放內存。爲了讓它自動的釋放內存，我們引入auto_ptr改變它。

#include <memory>

#include <iostream>

using namespace std;

class Singleton

{

public:

static Singleton * Instance()

{

if( 0== _instance.get())

{

_instance.reset( new Singleton);

}

return _instance.get();

}

protected:

Singleton(void)

{

cout <<"Create Singleton"<<endl;

}

virtual ~Singleton(void)

{

cout << "Destroy Singleton"<<endl;

}

friend class auto_ptr<Singleton>;

static auto_ptr<Singleton> _instance;

};

//Singleton.cpp

auto_ptr<Singleton> Singleton::_instance;

3. 增加模板

在我的一個工程中，有多個的Singleton類，對Singleton類，我都要實現上面這一切，這讓我覺得煩死了。於是我想到了模板來完成這些重複的工作。

現在我們要添加本文中最吸引人單件實現：

/********************************************************************

(c) 2003-2005 C2217 Studio

Module: Singleton.h

Author: Yangjun D.

Created: 9/3/2005 23:17

Purpose: Implement singleton pattern

History:

*********************************************************************/

#pragma once



#include <memory>

using namespace std;

using namespace C2217::Win32;



namespace C2217

{

namespace Pattern

{

template <class T>

class Singleton

{

public:

static inline T* instance();



private:

Singleton(void){}

~Singleton(void){}

Singleton(const Singleton&){}

Singleton & operator= (const Singleton &){}



static auto_ptr<T> _instance;

};



template <class T>

auto_ptr<T> Singleton<T>::_instance;



template <class T>

inline T* Singleton<T>::instance()

{

if( 0== _instance.get())

{

_instance.reset ( new T);

}



return _instance.get();

}



//Class that will implement the singleton mode,

//must use the macro in it's delare file

#define DECLARE_SINGLETON_CLASS( type ) \

friend class auto_ptr< type >;\

friend class Singleton< type >;

}

}



4. 線程安全

上面的程序可以適應單線程的程序。但是如果把它用到多線程的程序就會發生問題。主要的問題在於同時執行_instance.reset ( new T); 就會同時產生兩個新的對象，然後馬上釋放一個，這跟Singleton模式的本意不符。所以，你需要更加安全的版本：

/********************************************************************

(c) 2003-2005 C2217 Studio

Module: Singleton.h

Author: Yangjun D.

Created: 9/3/2005 23:17

Purpose: Implement singleton pattern

History:

*********************************************************************/

#pragma once



#include <memory>

using namespace std;

#include "Interlocked.h"

using namespace C2217::Win32;



namespace C2217

{

namespace Pattern

{

template <class T>

class Singleton

{

public:

static inline T* instance();



private:

Singleton(void){}

~Singleton(void){}

Singleton(const Singleton&){}

Singleton & operator= (const Singleton &){}



static auto_ptr<T> _instance;

static CResGuard _rs;

};



template <class T>

auto_ptr<T> Singleton<T>::_instance;



template <class T>

CResGuard Singleton<T>::_rs;



template <class T>

inline T* Singleton<T>::instance()

{

if( 0 == _instance.get() )

{

CResGuard::CGuard gd(_rs);

if( 0== _instance.get())

{

_instance.reset ( new T);

}

}

return _instance.get();

}



//Class that will implement the singleton mode,

//must use the macro in it's delare file

#define DECLARE_SINGLETON_CLASS( type ) \

friend class auto_ptr< type >;\

friend class Singleton< type >;

}

}

CresGuard 類主要的功能是線程訪問同步,代碼如下：

/******************************************************************************

Module: Interlocked.h

Notices: Copyright (c) 2000 Jeffrey Richter

******************************************************************************/





#pragma once

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////



// Instances of this class will be accessed by multiple threads. So,

// all members of this class (except the constructor and destructor)

// must be thread-safe.

class CResGuard {

public:

CResGuard() { m_lGrdCnt = 0; InitializeCriticalSection(&m_cs); }

~CResGuard() { DeleteCriticalSection(&m_cs); }



// IsGuarded is used for debugging

BOOL IsGuarded() const { return(m_lGrdCnt > 0); }



public:

class CGuard {

public:

CGuard(CResGuard& rg) : m_rg(rg) { m_rg.Guard(); };

~CGuard() { m_rg.Unguard(); }



private:

CResGuard& m_rg;

};



private:

void Guard() { EnterCriticalSection(&m_cs); m_lGrdCnt++; }

void Unguard() { m_lGrdCnt--; LeaveCriticalSection(&m_cs); }



// Guard/Unguard can only be accessed by the nested CGuard class.

friend class CResGuard::CGuard;



private:

CRITICAL_SECTION m_cs;

long m_lGrdCnt; // # of EnterCriticalSection calls

};





///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

5. 實用方法

比如你有一個需要實現單件模式的類，就應該這樣實現：

#pragma once

#include "singleton.h"

using namespace C2217::Pattern;



class ServiceManger

{

public:

void Run()

{

}

private:

ServiceManger(void)

{

}

virtual ~ServiceManger(void)

{

}

DECLARE_SINGLETON_CLASS(ServiceManger);

};



typedef Singleton<ServiceManger> SSManger;



在使用的時候很簡單，跟一般的Singleton實現的方法沒有什麼不同。

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

SSManger::instance()->Run();

}



一個簡單的Singleton模式的實現，可以看到C++語言背後隱藏的豐富的語意，我希望有人能實現一個更好的Singleton讓大家學習。我從一開始實現Singleton類的過程，其實就是我學習C++的過程，越是深入越覺得C++了不起。