C++设计模式之单例模式（Singleton）

1、序论

​ 在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它在系统中只存在一个实例，才能保证它们的逻辑正确、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单例对象？

​ 有人说可以提醒用户只构建一个这个对象，但是从设计的角度来说，这应该是设计者的责任，而不是使用者的责任。我们的单例模式就是可以提供这样的功能。

模式的定义：保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问

2、代码实现

下面实现线程非安全版本：

class Singleton{
private:
    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;
}

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

//双检查锁，但由于内存读写reorder不安全
//解释：一般来说对象的构造是先分配内存再进行构造函数的调用，可能暂时只分配了内存然后你的另一个线程进来了
//此时对象内存不为空，但是没有调用构造函数，你的另一个线程拿到了一个有内存的空对象，会导致程序奔溃
Singleton* Singleton::getInstance() {
    
    if(m_instance==nullptr){
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    return m_instance;
}

//C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)  volatile修饰静态单例对象，让编译器不对它进行优化
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;
}

3、总结

1> 单例模式种的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生

2> 单例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实例的对象，与模式的初衷相违背

3> 时常考虑是否再多线程下实现安全的单例模式，注意对双检查锁的正确实现