单例模式 Singleton

“对象性能”模式

• 面向对象很好地解决了“抽象”的问题，但是必不可免地要付出一定的代价。对于通常情况来讲，面向对象的成本大都可以忽略不计。但是某些情况，面向对象所带来的成本必须谨慎处理。
• 典型模式

1. Singleton
2. Flyweight

动机（Motivation）

• 在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率。
• 如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例？
• 这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。

非线程安全

#include<iostream>
using namespace std;


class Singleton {
private: // 私有的构造函数，拷贝构造函数，禁止它拷贝和构造。
    Singleton() {};
    Singleton(const Singleton& other) {};
public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};

Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

//线程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() {
    if (m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}

int main()
{
    Singleton * obj1 = Singleton::getInstance();
    Singleton * obj2 = Singleton::getInstance();
    if (obj1 == obj2) {
        cout << "相同对象" << endl;
    }

    getchar();
    return 0;
}

输出：

相同对象

线程安全(带锁)

#include<iostream>
#include < mutex> 
using namespace std;

class Singleton {
private:
    Singleton() {};
    Singleton(const Singleton& other) {};
    //static unique_lock<mutex>
    static mutex *m_mutex;
public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};

Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
mutex* Singleton::m_mutex = new mutex;

////线程非安全版本
//Singleton* Singleton::getInstance() {
//    if (m_instance == nullptr) {
//        m_instance = new Singleton();
//    }
//    return m_instance;
//}

//线程安全版本，但锁的代价过高
Singleton* Singleton::getInstance() {
    unique_lock<mutex> lock(*m_mutex);
    if (m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}

int main()
{
    Singleton * obj1 = Singleton::getInstance();
    Singleton * obj2 = Singleton::getInstance();
    if (obj1 == obj2) {
        cout << "相同对象:" << obj1 << endl;
    }

    getchar();
    return 0;
}

输出：

相同对象:00DF5AB0

当已经实例化不是null以后，这个锁就没有必要了，代价太大。读变量不需要加锁，没有问题，写才有问题。高并发的情况下消耗太大。

双检查锁(其实是有问题的)：

//双检查锁，但由于内存读写reorder不安全
Singleton* Singleton::getInstance() {    
    if(m_instance==nullptr){
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    return m_instance;
}

双检查锁假设顺序是：分配内存 -> 执行构造器 -> 返回指针。而实际的指令层的顺序有可能被编译器优化了，变成：分配内存 -> 返回指针 -> 执行构造器 。这样双检查锁就有可能会有问题，在还没执行构造器的时候，返回出去了，这时候的指针是不能用的。

跨平台线程安全

#include<iostream>
#include <mutex> 
#include <atomic>
using namespace std;

class Singleton {
private:
    Singleton() {};
    Singleton(const Singleton& other) {};
    static mutex m_mutex;
    static atomic<Singleton*>  m_instance;
public:
    static Singleton* getInstance();
};

//C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)
std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;

Singleton* Singleton::getInstance() {
    Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);//获取内存fence
    if (tmp == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
        if (tmp == nullptr) {
            tmp = new Singleton;
            std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);//释放内存fence
            m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
        }
    }
    return tmp;
}

int main()
{
    Singleton * obj1 = Singleton::getInstance();
    Singleton * obj2 = Singleton::getInstance();
    if (obj1 == obj2) {
        cout << "相同对象:" << obj1 << endl;
    }

    getchar();
    return 0;
}

输出：

相同对象:00989FB8

模式定义

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点。——《设计模式》GoF

要点总结

• Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。
• Singleton模式一般不要支持拷贝构造函数和Clone接口，因为这有可能导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背。
• 如何实现多线程环境下安全的Singleton？注意对双检查锁的正确实现。

参考：GeekBand