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;
}