C++ 中的Singleton 類的實現討論

2019-11-17 05:04:34

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ANSI C++ 中的 Singleton 實現說難不難，說輕易也不輕易，很多人寫 ANSI C++ 的 Singleton class 都有錯誤。這篇文章討論怎樣在 ANSI c++ 中寫 Singleton class, 希望對大家有幫助。《設計模式》中把 Singleton 寫成返回指針：

class Singleton{
public:
    static Singleton* Instance();
PRotected:
    Singleton();
private:
    static Singleton* _instance;
};      相應的實現 cpp 文件是：
Singleton* Singleton::_instance;
Singleton* Singleton::Instance(){
    if( _instance == 0){
        _instance = new Singleton;
    };
    return _instance;
}      將構造函數設計成 protected 的目的是防止在 class 外面 new ，有人可能會設計成 private ，假如考慮到有可能會繼續這個類的話，還是將構造函數設計成 protected 比較好，還需要加一個 virtual 析構函數。為了防止別人復制 Singleton 對象：
Singleton* pSingleton = Singleton::Instance();
Singleton s1 = *pSingleton;
Singleton s2 = *pSingleton;
需要將拷貝構造(copy constrUCtor)函數變成 private。
    但是這里存在的問題是，什么時候刪除 Singleton 對象？按照 C++ 的一個基本原則，對象在哪里創建就在哪里銷毀，這里還應該放一個 destroy 方法來刪除 Singleton 對象。假如忘了刪除就比較麻煩。Instance 函數還存在多線程同時訪問的加鎖問題。假如把 Instance 函數開始和結尾放上加鎖和解鎖，整個函數性能會下降很多。這不是一個好的設計。
    有一個小小的改動，可以避免忘了刪除 Singleton 對象帶來內存泄露的問題。那就是用 std:auto_ptr 來包含 Singleton 對象,定義一個class static member auto_ptr 對象，在析構的靜態 auto_ptr 變量的時候時候自動刪除 Singleton 對象。為了不讓用戶 delete Singleton 對象，需要將析構函數由 public 變成 protected。以下是頭文件 SingletonAutoPtr.h ：
#include <memory>
using namespace std;
class CSingletonAutoPtr
{
private:
    static auto_ptr<CSingletonAutoPtr> m_auto_ptr;

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    static CSingletonAutoPtr* m_instance;
protected:
    CSingletonAutoPtr();
    CSingletonAutoPtr(const CSingletonAutoPtr&);
    virtual ~CSingletonAutoPtr();
    //allow auto_ptr to delete, using protected ~CSingletonAutoPtr()
    friend class auto_ptr<CSingletonAutoPtr>;
public:
    static CSingletonAutoPtr* GetInstance();
    void Test();
};   對應的 SingletonAutoPtr.cpp 如下：
#include "SingletonAutoPtr.h"
#include <iostream>//initial static member vars here
CSingletonAutoPtr* CSingletonAutoPtr::m_instance = NULL;
auto_ptr<CSingletonAutoPtr> CSingletonAutoPtr::m_auto_ptr;/////////////////////////////////////////
// Construction/Destruction
/////////////////////////////////////////

CSingletonAutoPtr::CSingletonAutoPtr()
{
    cout << "CSingletonAutoPtr::CSingletonAutoPtr()" << endl;
    //put single object into auto_ptr object
    m_auto_ptr = auto_ptr<CSingletonAutoPtr>(this);
}CSingletonAutoPtr::~CSingletonAutoPtr()
{
    cout << "CSingletonAutoPtr::~CSingletonAutoPtr()" << endl;
}CSingletonAutoPtr* CSingletonAutoPtr::GetInstance()
{
    //begin lock
    //....    if(m_instance == NULL)
        m_instance = new CSingletonAutoPtr();    //end lock
    //...    return m_instance;

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}void CSingletonAutoPtr::Test()
{
    cout << "CSingletonAutoPtr::Test()" << endl;
}     調用方法：
CSingletonAutoPtr* pSingleton = CSingletonAutoPtr::GetInstance();
pSingleton->Test();     寫一個 C++ 中的 Singleton 需要這么費勁，大大出乎我們的意料。有很多人從未用過 auto_ptr，而且 std:auto_ptr 本身就并不完美，它是基于對象所有權機制的，相比之下，Apache Log4cxx 中有一個 auto_ptr, 是基于對象計數的，更為好用。只是為了用一個好的 auto_ptr 而不得不用 log4cxx , 對于很多項目來說，也不太好。當然了，ANSI C++ 的 STL 中 std:auto_ptr 對于寫上面的例子已經足夠用了。     另外一個思路是，把 GetInstance 函數設計成 static member 可能更好，因為一般來說，Singleton 對象都不大，static member 雖然必須一直占用內存，問題不大。這里的析構函數必須設成 public 了。以下是頭文件 SingleStaticObj.h
class CSingletonStaticObj
{
private:
    static CSingletonStaticObj m_instance;
protected:
    CSingletonStaticObj();
    CSingletonStaticObj(const CSingletonStaticObj&);
public:
    virtual ~CSingletonStaticObj(); //must public
    static CSingletonStaticObj& GetInstance();
    void Test();
};     對應的 SingleStaticObj.cpp 文件為：#include "SingletonStaticObj.h"
#include <string>
#include <iostream>

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using namespace std;CSingletonStaticObj CSingletonStaticObj::m_instance;CSingletonStaticObj::CSingletonStaticObj()
{
    cout << "CSingletonStaticObj::CSingletonStaticObj()" << endl;
}CSingletonStaticObj::~CSingletonStaticObj()
{
    cout << "CSingletonStaticObj::~CSingletonStaticObj()" << endl;
}CSingletonStaticObj& CSingletonStaticObj::GetInstance()

{
    return m_instance;
}void CSingletonStaticObj::Test()
{
    cout << "CSingletonStaticObj::Test()" << endl;
}     調用方法：
CSingletonStaticObj& singleton = CSingletonAutoPtr::GetInstance();
singleton.Test();     從代碼量來說，似乎使用 static member ref 更為簡單。我更偏向于用這種方法。    但是，并不是所有情況下面都適合用 static member singleton。比如說，GetInstance 需要動態決定返回不同的 instance 的時候，就不能用。舉例來說，FileSystem::GetInstance, 在 windows 下面運行可能需要返回 new WinFileSystem, linux/Unix 下面運行可能需要返回 new LinuxFileSystem，這個時候還是需要用上面的 auto_ptr 包含 singleton 指針的方法。

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