單例模式的趣味演繹 — 土著人的可樂瓶

故事開場

某不知名處的一群土著人過著和諧快樂的日子。直到一個玻璃瓶從天而降打破平靜。這瓶子用途極廣：有人砸地瓜、有人吹口哨、有人擀蛇皮……大夥兒離不開它，搶著用。為恢復和諧，一位土著決定把瓶子扔掉……

第一版：類單例

定義瓶子類，所有方法皆為 static，不涉及屬性：

class CGlassBottle {
private:
    CGlassBottle();
public:
    virtual ~CGlassBottle();
    static BOOL OnKnock(); // 砸
    static BOOL OnBlow();  // 吹
    static BOOL OnRoll();  // 擀
protected:
    static BOOL s_bUsed;
};

土著 A 只砸地瓜，土著 B 只吹口哨：

class A { public: void UseBottle() { CGlassBottle::OnKnock(); } };
class B { public: void UseBottle() { CGlassBottle::OnBlow(); } };

執行結果符合預期，這就是「類單例」——封裝相似功能塊，盡量不涉及屬性。如進制轉換工具類：

class CNumFormat {
private: CNumFormat();
public:
    static CString From2TO10(LPCTSTR);
    static CString From2TO16(LPCTSTR);
    ...

第二版：標準單例模式

《深入淺出設計模式》定義：確保一個類別只有一個實例，並提供全域存取點。改進瓶子類：

class CGlassBottle {
private:
    CGlassBottle();
public:
    virtual ~CGlassBottle();
    bool OnKnock(); bool OnBlow(); bool OnRoll();
public:
    static CGlassBottle s_GlassBottle; // 靜態實例
protected:
    bool m_bUsed;
};

土著呼叫改為 CGlassBottle::s_GlassBottle.OnKnock()。

第三版：私有靜態實例 + 存取函數

不想暴露實例，改用 GetInstance()：

class CGlassBottle {
private:
    CGlassBottle();
    static CGlassBottle s_GlassBottle;
public:
    virtual ~CGlassBottle();
    bool OnKnock(); bool OnBlow(); bool OnRoll();
    static CGlassBottle* GetInstance() { return &s_GlassBottle; }
protected:
    bool m_bUsed;
};

呼叫：CGlassBottle::GetInstance()->OnKnock()。

第四版：延遲實例化 (Lazy Initialization)

利用函數靜態區域變數，首次呼叫才建構：

static CGlassBottle* GetInstance() {
    static CGlassBottle s_GlassBottle; // 延遲建構
    return &s_GlassBottle;
}

筆者偏好此寫法，單執行緒下無問題，多執行緒安全性視編譯器而定 (C++11 後保證 thread-safe)。

第五版：宏簡化呼叫

覺得 CGlassBottle::GetInstance()->OnKnock() 囉嗦？定義宏：

#define GetGlassBottle() CGlassBottle::GetInstance()
GetGlassBottle()->OnKnock();

第六版：友元函數 + 全域內聯函數

將 GetInstance 設為私有，授權友元函數 GetGlassBottle()：

class CGlassBottle {
private:
    CGlassBottle();
    friend CGlassBottle* GetGlassBottle();
    static CGlassBottle* GetInstance() {
        static CGlassBottle s_GlassBottle;
        return &s_GlassBottle;
    }
protected:
    bool m_bUsed;
};
inline CGlassBottle* GetGlassBottle() { return CGlassBottle::GetInstance(); }

呼叫變為 GetGlassBottle()->OnKnock()，舒服許多。

第七版：極簡全域函數 (筆者最愛)

連類別靜態函數都省掉，直接在全域內聯函數裡放靜態實例：

class CGlassBottle {
private:
    CGlassBottle();
    friend CGlassBottle* GetGlassBottle();
protected:
    bool m_bUsed;
public:
    bool OnKnock(); bool OnBlow(); bool OnRoll();
    virtual ~CGlassBottle();
};
inline CGlassBottle* GetGlassBottle() {
    static CGlassBottle s_GlassBottle;
    return &s_GlassBottle;
}

用法同前，簡潔且單執行緒下從未出問題。

參考文獻

1. 《設計模式——可復用面向物件軟體基礎》 李英軍等譯
2. 《深入淺出設計模式》 Eric Freeman 等著