Singleton模式在C#與C++中的實現

Singleton應該可以算是GOF的23個模式中最簡單的一個模式了，它有兩個要求：一是保證一個類僅有一個執行個體；二是提供一個訪問它的全域訪問點。這在實現中分別對應為：一是建構函式非public；二是提供一個靜態函數作為全域訪問點。

在C#中，我們可以這麼寫：

public class ExampleSingleton
{
    // code to support Singleton
    protected ExampleSingleton(){}
    protected static ExampleSingleton instance = new ExampleSingleton();

    public static ExampleSingleton Instance
    {
        get{return instance;}
    }

    // This class's real functionalities
    public void Write(){Console.WriteLine("Hello, World!");}
}

// use this singleton class
ExampleSingleton.Instance.Write();

類似的，C++中實現如下：

class ExampleSingleton
{
    // code to support Singleton
protected:
        ExampleSingleton(){}
public:
    static ExampleSingleton& Instance()
    {
        static ExampleSingleton instance;
        return instance;
    }

    // This class's real functionalities
    void Write(){printf("Hello, World!");}
};

// use this singleton class
ExampleSingleton::Instance().Write();

這樣寫的確符合了singleton的兩個要求，但是如果我們的系統中有許多個Singleton類，而對於每一個類，我們都要寫那些固定的，重複的代碼去支援其singleton的屬性。這不是一個好現象，我們希望可以把這些固定的代碼提取出來，使我們的Singleton類只需要專註於實現其真正的功能，相信很多人都聽說過這個做法：Singleton模板基類。
對於C#：

// Singleton base class, each class need to be a singleton should 
// derived from this class
public class Singleton<T> where T: new()
{
    
    // Instead of compile time check, we provide a run time check
    // to make sure there is only one instance.
    protected Singleton(){Debug.Assert(null == instance);}
    protected static T instance = new T();
    public static T Instance
    {
        get{return instance;}
    }
}

// Concrete singleton class, derived from Singleton<T>
public class ExampleSingleton: Singleton<ExampleSingleton>
{
    // since there is no "freind class" in C#, we have to make
    // this contructor public to support the new constraint.
    public ExampleSingleton(){}

    // This class's real functionalities
    public void Write(){Console.WriteLine("Hello, World!");}
}

// use this singleton class
ExampleSingleton.Instance.Write();

這裡，我們把為了支援Singleton功能的代碼提到一個Singleton<T>的類模板當中，任何需要成為Singlton的類，只需從其派生便自然獲得Singleton功能。這裡的一個問題是：為了支援模板類中的new()constraint，我們不得不把作為具體singleton類的衍生類別的建構函式作為public，這就導致我們無法在編譯期阻止使用者自行new出第二個，第三個執行個體來，但我們可以在運行期來進行檢查進而保證其執行個體的單一性，這就是這singleton基類建構函式的作用：

protected Singleton(){Debug.Assert(null == instance);}

當然，有另外一種實現方法，那就是singleton基類不提供new() constraint, 這樣我們就可以讓ExampleSingleton的建構函式為非public,在要建立T執行個體的時候，由於不能使用new, 我們用reflection反射出類型T的非public建構函式並調用之。這樣，我們的確能保證編譯期執行個體的唯一性，但是由於用了反射，感覺代碼不是那麼的簡單優雅，並且對其效能持保留態度，所以不太傾向與這種方法。 
但畢竟是越早檢查出錯誤越好，所以大家如果有好的解決方案，不妨提出來一起討論討論。

而C++中由於提供了友元這個特性，實現起來要好一些：

// Singleton base class, each class need to be a singleton should 
// derived from this class
template <class T> class  Singleton
{
protected:
    Singleton(){}
public:
    static T& Instance()
    {
        static T instance;
        return instance;
    }
};

// Concrete singleton class, derived from Singleton<T>
class ExampleSingleton: public Singleton<ExampleSingleton>
{
    // so that Singleton<ExampleSingleton> can access the 
    // protected constructor
    friend class Singleton<ExampleSingleton>;

protected:
        ExampleSingleton(){}
public:
    // This class's real functionalities
    void Write(){printf("Hello, World!");}
};

// use this singleton class
ExampleSingleton::Instance().Write();

在C++友元的協助下，我們成功實現了在編譯期保證執行個體的唯一性。（當然，前提是你不要"亂交朋友"）。

有人可能會問,實現singleton的代碼並不多，我們沒必要搞這麼一個機制來做代碼複用吧？ 的確，我們複用的代碼並不是很多，但是，我想代碼複用的目的不僅僅是減少代碼量，其最重要的目的還是在於保持行為的一致性，以便於使用與維護。(用函數替換程式碼片段便是一個很好的例子)。
對於這裡的singleton類來講，如果不做這個設計，我們在每個具體的singleton類內部實現其singleton機制，那麼可能出現的問題是
1. 很難保證其介面的一致性
張三寫了一個singleton類，全域訪問函數是Instance, 李四也寫了一個Singleton類，全域訪問函數可能就是GetInstance了。。。。。我們並沒有一個健壯的機制來保證介面的一致性，從而導致了使用的混亂性。

2. 不易維護
Singleton建立執行個體有兩種：一種為lazy initialization, 一種就是early initialization, 假如開始的實現是所有的singleton都用lazy initialization， 突然某種需求要求你用early initialization，你的噩夢就開始了，你不得不重寫每一個singleton類。

而用了singleton模板基類這種機制，以上問題就不會存在，我們得到的不僅僅是節約幾行代碼:)

(搬自以前blog, 2007-07-17)