Day 6 單例模式 Singleton Pattern

2024 iThome 鐵人賽

DAY 6

Software Development

輕鬆學習設計模式Design Pattern系列第 6 篇

16th鐵人賽

ShengYu

2024-08-30 19:43:05

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在軟體開發中，有時我們需要確保某個類別在整個應用程式中只存在一個實例。例如，當我們開發一個設定管理器時，需要保證在整個程式執行期間，設定的讀取和修改都要經由同一個物件。這時候單例模式 Singleton Pattern 就派上用場了。

什麼是單例模式？

單例模式是一種建立型設計模式，它確保一個類別在整個程式中只有一個實例，並且提供一個全域性都能存取的方式。這個模式通常用於管理共享資源、設定管理、日誌系統等需要單一實例的情況。聽起來很簡單，但是它的應用卻無處不在。

單例模式在設定管理器的應用

讓我們透過一個設定管理器的範例來看看如何在 C++ 中實作單例模式，什麼餓漢與懶漢的今天不多做介紹，我就介紹一個多數情況馬上就能使用的方式，最簡單好用也是常見的實作方式。

首先我們定義一個 ConfigManager 類別，它負責管理應用程式中的設定。

class ConfigManager {
public:
    // 取得唯一實例的靜態方法
    static ConfigManager& getInstance() {
        static ConfigManager instance; // 唯一實例
        return instance;
    }

    // 禁止複製建構與賦值
    ConfigManager(const ConfigManager&) = delete;
    void operator=(const ConfigManager&) = delete;

    void setConfig(const std::string& key, const std::string& value) {
        configData[key] = value;
    }

    std::string getConfig(const std::string& key) const {
        if (configData.find(key) != configData.end()) {
            return configData.at(key);
        } else {
            return "Config not found!";
        }
    }

private:
    ConfigManager() {} // 禁止外部建立實例

    std::unordered_map<std::string, std::string> configData; // 儲存設定的容器
};

在這個範例中，getInstance 方法使用 static 關鍵字保證了 ConfigManager 類別只有一個實例被建立。建構子是 private 的，這樣就無法透過 new 或其他方式在外部建立新的實例。另外也禁用了複製建構子和賦值運算子，避免無意間複製實例。

假設我們在一個應用程式中需要管理一些全域性的設定，例如資料庫連線字串、連接埠等。我們可以使用 ConfigManager 來統一管理這些設定。

int main() {
    // 取得唯一的 ConfigManager 實例
    ConfigManager& config = ConfigManager::getInstance();

    std::cout << "Database host: " << config.getConfig("db_host") << std::endl;

    config.setConfig("db_host", "localhost");
    config.setConfig("db_port", "3306");

    std::cout << "Database host: " << config.getConfig("db_host") << std::endl;
    std::cout << "Database port: " << config.getConfig("db_port") << std::endl;

    // 嘗試在另一個地方取得 ConfigManager 實例
    ConfigManager& anotherConfig = ConfigManager::getInstance();
    std::cout << "Database host: " << anotherConfig.getConfig("db_host") << std::endl;
    return 0;
}

執行上述程式碼，我們會得到以下輸出：

Database host: Config not found!
Database host: localhost
Database port: 3306
Database host: localhost

這個範例中，我們先透過 getInstance() 取得唯一的 ConfigManager 實例，然後設定和取得不同的設定項目。無論程式的其他部分如何操作，都保證了設定管理器只有一個實例在執行。

以上我們介紹的是 Scott Meyers 在《Effective C++》中提出了一種簡潔的單例寫法，利用 local static object 在函式第一次被呼叫使用才初始化的特性，這寫法保證 C++11 以後是保證 thread-safe 的，另外也可以使用 STL 標準函式庫中的 std::call_once 來解決多執行緒建立單例這個問題，這邊不多贅述。