C++ 单例模式以及内存管理

引用：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/37469260
https://www.cnblogs.com/xiaolincoding/p/11437231.html
https://blog.csdn.net/unonoi/article/details/121138176

单例模式：一个类在全局范围内只有一个实例化的对象

核心：

1. 构造函数是私有的，防止外界创建单例类的对象。
2. 使用类内的私有静态指针变量指向类的唯一实例。
3. 提供一个public的静态方法获取该实例。

单例有两种实现方式，区别是创建实例的时间不同：

1. 饿汉式（Eager Singleton）：在程序运行时就初始化创建实例，直接调用即可。这种方式是天然线程安全的。坏处：提前占用系统资源!
2. 懒汉式（Lazy Singleton）：在首次调用get_instance()时创建实例化对象。需要考虑线程安全。

如果该类可以被继承，则构造函数应该protected修饰

饿汉式

可以看到，构造函数在main函数之前就已经执行，Singleton* Singleton::g_pSingleton = new (std::nothrow) Singleton;中已经在编译期new instance完成构造。

class Singleton
{
private:
	static Singleton instance;
private:
	Singleton(); // 如果该类可以被继承，则构造函数应该protected修饰
	~Singleton();
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
	static Singleton& getInstance() {
		return instance;
	}
}

// initialize defaultly
Singleton* Singleton::instance = new (std::nothrow) Singleton

然而，饿汉式确实有对应的潜在危险:

no-local static对象（函数外的static对象）在不同编译单元中的初始化顺序是未定义的。
也即，static Singleton instance;和static Singleton& getInstance()二者的初始化顺序不确定，如果在初始化完成之前调用 getInstance() 方法会返回一个未定义的实例。

懒汉式

Step1：普通非线程安全

class Singleton
{
private:
    static Singleton* instance;
private:
    Singleton() {}; // 如果该类可以被继承，则构造函数应该protected修饰
    ~Singleton() {};
    Singleton(const Singleton&); // 拷贝构造
    Singleton& operator=(const Singleton&); // 赋值构造
public:
    static Singleton* getInstance()
    {
        if (instance == NULL)
            instance = new Singleton();
        return instance;
    }
};
Singleton* Singleton::instance = NULL;

对于以上代码，显然多个线程对于if(instance == NULL) 判断与修改是非原子的，可能出现冲突。
而在实际的实验中，对于线程不安全的情况（普通懒汉），的确观察到了多个构造函数，且内存地址不同的情况，说明多线程并发的race condition创建了多个对象，与单例不符。

Step2：线程安全

针对以上问题，一个容易想到的解决方案是加锁，保护共享的instance免受冲突。
这里使用双检锁(DCL: Double-Checked Locking Pattern)来实现。
双检锁的好处在于：由于只有首次初始化才上锁，因此最外层仅用于判断是否获取instance成功。在构造完成后就没有可能再次进入本层循环内部，避免了每一次访问getInstance()都需要加锁。

class Singleton
{
private:
    static Singleton* instance;
    static std::mutex m_Mutex;

private:
    Singleton() {}; // 如果该类可以被继承，则构造函数应该protected修饰
    ~Singleton() {};
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
    static Singleton* getInstance()
    {
        if (instance == NULL)
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex); // 加锁
            if (instance == NULL)
            {
                instance = new (std::nothrow) Singleton;
            }
        }
        return instance;
    }
};

//初始化静态成员变量
SingleInstance *SingleInstance::m_SingleInstance = NULL;
std::mutex SingleInstance::m_Mutex;

Step2.5：强化的线程安全

本篇文章中提出了一个问题，获取到的非空instance对象可能会出现部分构造问题。
因此，提出了使用atomic的原子量操作方案，个人认为依赖于内存模型，由于编译优化，现代CPU的指令流水线重排以及乱序执行，缓存等各种影响因素，不排除有此种可能性。
虽然个人认为这依赖于具体编译器的实现，并且几乎不会出现，但是理论上的确有可能出现这样的问题。
或许也可以加一个volatile关键字来限制一下，但仍然没有完全排除可能性。
代码如下：

atomic<Widget*> Widget::pInstance{ nullptr };
Widget* Widget::Instance() {
    if (pInstance == nullptr) { 
        lock_guard<mutex> lock{ mutW }; 
        if (pInstance == nullptr) { 
            pInstance = new Widget(); 
        }
    } 
    return pInstance;
}

Step3：优雅的线程安全

C++ 11规定了local static在多线程条件下的初始化行为（g++ 03中已经显式说明），要求编译器保证了内部静态变量的线程安全性。
参见: https://stackoverflow.com/questions/449436/singleton-instance-declared-as-static-variable-of-getinstance-method-is-it-thre
因此，最为优雅的单例写法(Meyers' Singleton)：

class Singleton
{
private:
	Singleton() { }; // 如果该类可以被继承，则构造函数应该protected修饰
	~Singleton() { };
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
	static Singleton& getInstance()
	{
		static Singleton instance; // 核心改进，首次访问才会被初始化
		return instance;
	}
};
Singleton* Singleton::instance = NULL;

可能的内存释放问题

手动释放：delete Singleton::get_instance();
自动释放：
引用: https://blog.csdn.net/linuxwuj/article/details/81187564

进程结束时，静态对象的生命周期随之结束，其析构函数会被调用来释放对象。因此，我们可以利用这一特性，在单例类中声明一个内嵌类，该类的析构函数专门用来释放new出来的单例对象，并声明一个该类类型的static对象

class Singleton {
public:
    // ...
private:
    // ...
    static Singleton * instance;
    class GarbageCollector {
    public:
        ~GarbageCollector() {
            if (Singleton::instance) {
                delete Singleton::instance;
                Singleton::instance = 0;
            }
        }
    };
    static GarbageCollector gc;
};

// 定义
Singleton::GarbargeCollector Singleton::gc;
// ...

注意static GarbageCollector gc;这一个位置，我们定义了一个内部的嵌套类GarbageCollector，并且使用static修饰。
此处需要注意：类的静态成员需要在类外部进行初始化，所以一定要在类的最外部初始化Singleton::GarbargeCollector Singleton::gc;。
否则静态成员GarbageCollector gc根本就没有在任何位置被调用初始化，其析构函数也就无从谈及被调用。

此外，针对内存管理，智能指针也是一个值得考虑的方案，不如说尽量去使用智能指针。