建立型模式單件 Singleton

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注意：我的文章一般都是傾向於原理性介紹，內含**可能存在錯漏，也絕對不是大家可以拿來就用的標準**。模式設計重要在於思想，而不在於如何實現。

考慮「建立型模式－工廠方法(factory method)」中，我們對於每種虛構造器物件，我們都只需要乙個例項。類似的情況還在許多地方出現，概括起來就是：某種型別，只需要也只能被例項化一次，這種只能有單一例項的型別稱為乙個單件類，或者說這種程式設計模式為單件模式。

可以使用全域性物件方式來定義乙個型別的例項，並通過約定來保證它的單一性。這對於小的程式尤其是乙個人寫的程式往往是可行的，但是對於大的專案則往往不行。專案中的組**員素質是參差不齊的，他們對專案中各種各樣的約定也不了解，在以下三種情況下，約定往往會被打破：

組員不尊重約定，我行我素程式設計

組員疏忽，忘記了約定

新進組員，根本不知道有這個約定

這種情況下，使用約定的方式保證單一性是很明顯不可能的。為了保證單一性，必須通過編譯器提供的機制來實現。

由於每個類被例項化時，例項化的**必須能訪問建構函式，如果建構函式不是public的，則例項化就會被禁止。為此，可以把單件類的建構函式設定成private或者protected的，這樣使用者就不能任意的例項化該類。對於乙個簡單的單件，它一般不需要被繼承，這種情況下，把建構函式設定成private是最好的（這樣禁止繼承）。

既然我們限制了建構函式，主動維護物件的例項化過程，那麼同時維護析構過程也是乙個合理的習慣。因此，建議大家使析構函式的訪問修飾和建構函式的一致。即建構函式是private的，析構函式也是private，如果建構函式是protected的，則析構函式也是protected的。

下面以單件類csingleton來說明，首先說明補需要派生的簡單單件。

對於簡單的單件，首先需要把建構函式和析構函式定義成private的，因此它首先被定義成如下所示的類：

class csingleton
;

由於我們隱藏了構造和析構函式，還必須為這個類提供建立自己例項和刪除例項的介面。對於建立例項，我們可以用乙個static成員函式實現（由於在這個介面函式被呼叫之前，還不存在任何例項，因此該函式必須是static的），對於刪除例項，則可以用乙個delete成員函式來實現。為了保證例項的單一性，我們還必須儲存例項的指標，為此，我們需要乙個靜態指標成員變數來儲存例項的位址。增加了這些介面的類如下：

//標頭檔案
class csingleton
;//cpp檔案
csingleton * csingleton ::s_psingleton = (csingleton*)0;
csingleton * csingleton ::instance()
return s_psingleton;
}void csingleton::delete()
delete this;
}

對於簡單的單件，以上所做的就足夠了，使用者可以在此基礎上新增自己的成員函式和變數進行處理。

考慮我們在「工廠方法」一文中所述，對於每個cshape類派生類，我們都需要給他們建立乙個虛構造器，這一組構造器都應該是單件類。如果我們按照前文方法對每個虛構造器都進行單件設計，也不是不可以，但是這樣將非常複雜。採用一種「註冊」機制來做，將降低工作量。

為了實現這一目標，首先為這些單件類定義乙個共同的根，在「工廠方法」中，該根就是cshareruntimeclass，這個根本身不需要也不能被例項化，但是為了保證派生類的單件性，這個根的建構函式和析構函式必須保證是protected的。我們建立乙個全域性的**，儲存所有被例項化的子類物件的指標，為了保證單一性，這些子類都被分配乙個唯一的id號。由基類的建構函式在這個**中註冊這個例項化的類。為此，修改csingleton類如下：

class ctablesingleton;
class csingletonptr
; operator ctablesingleton * & (); 
};class ctablesingleton
;csingletonptr ctablesingleton:: s_aptable[max_objects]; 
//註冊函式
void ctablesingleton::registerself()
g_aptable[m_uid]= this;
}//反註冊
void ctablesingleton::unregisterself()
g_aptable[m_uid]= null;
}//建構函式
ctablesingleton::ctablesingleton(uint uid):m_uid(uid)
//析構函式
ctablesingleton::~ctablesingleton(uint uid):m_uid(uid)
//從**中搜尋子類的函式
ctablesingleton* ctablesingleton::findinstance(uint uid)
return s_aptable[uid];
}

對於派生類而言，它必須隱藏自己的建構函式和析構函式，並提供乙個例項化自己的介面。為了做到這一點，可以通過定義一些巨集來實現，可以用下面巨集實現目標：

#define declare_singleton(classname) /
public:/
static classname * instance();/
void delete();/
private:/
classname();
#define implement_singleton(classname,id) /
classname * classname::instance()/
else/
}/void classname::delete()///
classname :: classname():ctablesingleton(id)

定義了這些巨集以後，那麼從ctablesingleton派生的類只要按照下列方式插入巨集即可正確工作:

//標頭檔案
class cderivedclass:public ctablesingleton
;//cpp檔案
implement_singleton(classname,derived_class_id)

這裡我們只提供了乙個不帶引數的建構函式，如果建構函式的引數固定，那麼我們還可以提供方便的巨集，如果不固定，只有一一設計了。但是注意的是，必須提供ctablesingleton(uid)構造初始化。

使用單件有如下好處：

singleton類的例項不在全域性變數空間中，避免汙染全域性變數空間

一般情況下，這些例項都是在使用時建立，實現按需分配

可控的類例項化，將使得程式設計者能夠更精確的控制類的行為

單件也可以擴充套件到例項數量有限的情況，這裡就不再贅述，只要讀者能清晰單件的原理，這些都不是很困難。

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