Singleton模式在C#与C++中的实现

Singleton应该可以算是GOF的23个模式中最简单的一个模式了，它有两个要求：一是保证一个类仅有一个实例；二是提供一个访问它的全局访问点。这在实现中分别对应为：一是构造函数非public；二是提供一个静态函数作为全局访问点。

在C#中，我们可以这么写：

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();

类似的，C++中实现如下：

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();

这样写的确符合了singleton的两个要求，但是如果我们的系统中有许多个Singleton类，而对于每一个类，我们都要写那些固定的，重复的代码去支持其singleton的属性。这不是一个好现象，我们希望可以把这些固定的代码提取出来，使我们的Singleton类只需要专注于实现其真正的功能，相信很多人都听说过这个做法：Singleton模板基类。
对于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();

这里，我们把为了支持Singleton功能的代码提到一个Singleton<T>的类模板当中，任何需要成为Singlton的类，只需从其派生便自然获得Singleton功能。这里的一个问题是：为了支持模板类中的new()constraint，我们不得不把作为具体singleton类的派生类的构造函数作为public，这就导致我们无法在编译期阻止用户自行new出第二个，第三个实例来，但我们可以在运行期来进行检查进而保证其实例的单一性，这就是这singleton基类构造函数的作用：

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

当然，有另外一种实现方法，那就是singleton基类不提供new() constraint, 这样我们就可以让ExampleSingleton的构造函数为非public,在要创建T实例的时候，由于不能使用new, 我们用reflection反射出类型T的非public构造函数并调用之。这样，我们的确能保证编译期实例的唯一性，但是由于用了反射，感觉代码不是那么的简单优雅，并且对其性能持保留态度，所以不太倾向与这种方法。 
但毕竟是越早检查出错误越好，所以大家如果有好的解决方案，不妨提出来一起讨论讨论。

而C++中由于提供了友元这个特性，实现起来要好一些：

// 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++友元的帮助下，我们成功实现了在编译期保证实例的唯一性。（当然，前提是你不要"乱交朋友"）。

有人可能会问,实现singleton的代码并不多，我们没必要搞这么一个机制来做代码复用吧？ 的确，我们复用的代码并不是很多，但是，我想代码复用的目的不仅仅是减少代码量，其最重要的目的还是在于保持行为的一致性，以便于使用与维护。(用函数替换代码段便是一个很好的例子)。
对于这里的singleton类来讲，如果不做这个设计，我们在每个具体的singleton类内部实现其singleton机制，那么可能出现的问题是
1. 很难保证其接口的一致性
张三写了一个singleton类，全局访问函数是Instance, 李四也写了一个Singleton类，全局访问函数可能就是GetInstance了。。。。。我们并没有一个健壮的机制来保证接口的一致性，从而导致了使用的混乱性。

2. 不易维护
Singleton创建实例有两种：一种为lazy initialization, 一种就是early initialization, 假如开始的实现是所有的singleton都用lazy initialization， 突然某种需求要求你用early initialization，你的噩梦就开始了，你不得不重写每一个singleton类。

而用了singleton模板基类这种机制，以上问题就不会存在，我们得到的不仅仅是节约几行代码:)

(搬自以前blog, 2007-07-17)