设计模式——单例模式

单例模式（Singleton）

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。

应用场景

• 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。
• 数据库链接、Socket创建链接

实现方式

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
单检查锁的代价比较大，多个线程在读取单例对象的时候都需要锁操作，效率低下。
双检查锁只对单例对象的创建过程加锁，而对读操作不加锁。效率高。

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();
        }
    }
    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;
}

要点总结

• 构造函数为private。
• Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。
• Singleton一般不要支持拷贝构造函数，因为这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。