C++ 中的 Singleton 实现

关键字：ANSI C++, Singleton, static member, initialize, auto_ptr, std, STL , implement, 实现

ANSI C++ 中的 Singleton 实现说难不难，说容易也不容易，很多人写 ANSI C++ 的 Singleton class 都有错误。这篇文章讨论怎样在 ANSI c++ 中写 Singleton class, 希望对大家有帮助。

《设计模式》中把 Singleton 写成返回指针：


class Singleton{
public:
    static Singleton* Instance();
protected:
    Singleton();
private:
    static Singleton* _instance;
};

相应的实现 cpp 文件是：


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

将构造函数设计成 protected 的目的是防止在 class 外面 new ，有人可能会设计成 private ，如果考虑到有可能会继承这个类的话，还是将构造函数设计成 protected 比较好，还需要加一个 virtual 析构函数。为了防止别人复制 Singleton 对象：


Singleton* pSingleton = Singleton::Instance();
Singleton s1 = *pSingleton;
Singleton s2 = *pSingleton;

需要将拷贝构造(copy constructor)函数变成 private。

但是这里存在的问题是，什么时候删除 Singleton 对象？按照 C++ 的一个基本原则，对象在哪里创建就在哪里销毁，这里还应该放一个 destroy 方法来删除 Singleton 对象。如果忘了删除就比较麻烦。Instance 函数还存在多线程同时访问的加锁问题。如果把 Instance 函数开始和结尾放上加锁和解锁，整个函数性能会下降很多。这不是一个好的设计。

有一个小小的改动，可以避免忘了删除 Singleton 对象带来内存泄露的问题。那就是用 std:auto_ptr 来包含 Singleton 对象,定义一个class static member auto_ptr 对象，在析构的静态 auto_ptr 变量的时候时候自动删除 Singleton 对象。为了不让用户 delete Singleton 对象，需要将析构函数由 public 变成 protected。以下是头文件 SingletonAutoPtr.h ：


#include 
using namespace std;
class CSingletonAutoPtr
{
private:
    static auto_ptr m_auto_ptr;
    static CSingletonAutoPtr* m_instance;
protected:
    CSingletonAutoPtr();
    CSingletonAutoPtr(const CSingletonAutoPtr&);
    virtual ~CSingletonAutoPtr();
    //allow auto_ptr to delete, using protected ~CSingletonAutoPtr()
    friend class auto_ptr ;
public:
    static CSingletonAutoPtr* GetInstance();
    void Test();
};

对应的 SingletonAutoPtr.cpp 如下：


#include "SingletonAutoPtr.h"
#include 

//initial static member vars here
CSingletonAutoPtr* CSingletonAutoPtr::m_instance = NULL;
auto_ptr CSingletonAutoPtr::m_auto_ptr;

//
// Construction/Destruction
//
CSingletonAutoPtr::CSingletonAutoPtr()
{
    cout << "CSingletonAutoPtr::CSingletonAutoPtr()" << endl;
    //put single object into auto_ptr object
    m_auto_ptr = auto_ptr (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;
}

void CSingletonAutoPtr::Test()
{
    cout << "CSingletonAutoPtr::Test()" << endl;
}

调用方法：


CSingletonAutoPtr* pSingleton = CSingletonAutoPtr::GetInstance();
pSingleton->Test();

写一个 C++ 中的 Singleton 需要这么费劲，大大出乎我们的意料。有很多人从未用过 auto_ptr，而且 std:auto_ptr 本身就并不完美，它是基于对象所有权机制的，相比之下，Apache Log4cxx 中有一个 auto_ptr, 是基于对象计数的，更为好用。只是为了用一个好的 auto_ptr 而不得不用 log4cxx , 对于很多项目来说，也不太好。当然了，ANSI C++ 的 STL 中 std:auto_ptr 对于写上面的例子已经足够用了。

另外一个思路是，把 GetInstance 函数设计成 static member 可能更好，因为一般来说，Singleton 对象都不大，static member 虽然必须一直占用内存，问题不大。这里的析构函数必须设成 public 了。以下是头文件 SingleStaticObj.h


class CSingletonStaticObj
{
private:
    static CSingletonStaticObj m_instance;
protected:
    CSingletonStaticObj();
    CSingletonStaticObj(const CSingletonStaticObj&);
public:
    virtual ~CSingletonStaticObj(); //must public
    static CSingletonStaticObj& GetInstance();
    void Test();
};

对应的 SingleStaticObj.cpp 文件为：


#include "SingletonStaticObj.h"
#include 
#include 
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;
}

调用方法：


CSingletonStaticObj& singleton = CSingletonAutoPtr::GetInstance();
singleton.Test();

从代码量来说，似乎使用 static member ref 更为简单。我更偏向于用这种方法。

但是，并不是所有情况下面都适合用 static member singleton。比如说，GetInstance 需要动态决定返回不同的 instance 的时候，就不能用。举例来说，FileSystem::GetInstance, 在 windows 下面运行可能需要返回 new WinFileSystem, Linux/Unix 下面运行可能需要返回 new LinuxFileSystem，这个时候还是需要用上面的 auto_ptr 包含 singleton 指针的方法。

怎么写 Singleton 要看大家的项目需要。

以上代码在 Visual C++ 6.0 下面编译通过。