设计模式之单例模式

动机

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,才能确保它们逻辑正确性和良好的效率。
思考: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?

头文件:

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <atomic>

class Singleton
{
private:
	Singleton();
	Singleton(const Singleton& other);

public:
	static Singleton* getInstance();
	static Singleton* m_Instance;
};

实现文件:

#include "Singleton.h"
Singleton* Singleton::m_Instance = nullptr;

//V1
Singleton* Singleton::getInstance()
{
	if (m_Instance == nullptr)
	{
		m_Instance = new Singleton();
	}
	return m_Instance;
}

//V2
Singleton* Singleton::getInstance()
{
	m_mutex.lock();
	if (m_Instance == nullptr)
	{
		m_Instance = new Singleton();
	}
	m_mutex.unlock();
	return m_Instance;
}

//V3
Singleton* Singleton::getInstance()
{
	if (m_Instance == nullptr)
	{
		m_mutex.lock();
		if (m_Instance == nullptr)
		{
			m_Instance = new Singleton();
		}
		m_mutex.unlock();
	}
	return m_Instance;
}

上述代码讲到了三种构造函数实现的方式,以上三种方式皆存在部分问题,问题分别如下:

  1. V1版本:
    线程非安全版本,意思是当存在多个线程同时访问的话,无法保证该对象实例仅产生一个,当有2个线程threadA和threadB同时执行到if判断代码,皆因为当前是nullptr而进入new的逻辑,此时就可能产生多个对象实例,如果仅在单线程环境下则无问题。

  2. V2版本:
    线程安全版本,但锁的代价较高,意思是该方法能够保证只产生一个对象实例,但是当对象实例已经存在的时候,后续执行仅是读取操作依然会先上锁,这种锁其实是多余没必要的。

  3. V3版本:
    双检查锁,但由于内存读写reorder仍存在问题,从代码上看先判断当前是否存在对象实例,有则返回,没有再上锁进行第二次判断,这里第二次判断不能省略,因为在多线程情况下,比如threadA和threadB同时执行到第一个if判断里,threadA获得了锁,当threadA创建实例结束解开锁时,threadB也依然会额外创建实例,所以这里的第二个判断不能省。
    但这种情况后来经大佬指出会存在内存读写reorder问题,会导致双检查锁的失效,正常流程是先分配内存,再通过构造对这片内存初始化,之后再把这片内存地址返回出去。但经过reorder后可能会出现分配内存后直接返回内存地址的情况,跳过了中间构造环节,这样threadB进入后判断当前不是nullptr就直接返回了,但此时获取到的地址是不能使用的。

推荐用法:

std::atomic<Singleton*> Singleton::m_Instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;

Singleton* Singleton::getInstance()
{
	Singleton* tmp = m_Instance.load(memory_order_relaxed);
	std::_Atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
	if (tmp == nullptr)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
		tmp = m_Instance.load(memory_order_relaxed);
		if (tmp == nullptr)
		{
			tmp = new Singleton();
			std::_Atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
			m_Instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
		}
	}
	return tmp;
}
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