C++设计模式-单例模式

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。

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。

代码示例

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
Singleton* Singleton::getInstance() {
    
    if(m_instance==nullptr){
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
            // 这里有三步
            //1: 申请内存 2：在内存上调用构造函数 3：将内存地址赋给m_instance
            //但可能发生的顺序为132,由此变成了不安全的版本
        }
    }
    return m_instance;
}


//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;
}

// c++11后可保证安全构建， 懒汉模式
Singleton* Singleton::getInstance() {
	static Singleton sig;
	return &sig;
}
// 饿汉模式
Singleton* Singleton::p = new Singleton;
Singleton* Singleton::getInstance()

{
    return p;
}

懒汉模式：需要时才创建
饿汉模式：系统启动就创建

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模式的初中违背。
• 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。