C++ 单例模式学习(Singleton)

最近在学习设计模式，学到单例模式，觉得这一讲讲的挺好的，整理一下，一起学习学习。单例模式可能大家都已经非常熟悉了。

单例模式属于“对象性能”模式

“对象性能”模式

面向对象很好地解决了“抽象”的问题，但是不可避免地要付出一定的代价。对于通常情况来讲，面向对象的成本大都可以忽略不计。但是某些情况，面向对象所带来的成本必须谨慎处理。

典型模式

Singleton

Flyweight(享元模式)

Singleton 单例模式

动机

l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

l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？

l这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任

通过代码示例来看看：

class Singleton{
private:
  // 防止外部构造。
  Singleton() = default;

  // 防止拷贝和赋值。
  Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
  Singleton(const Singleton& singleton2) = delete;
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;
}

很明显上面这种方法存在线程安全稳定，那么通常会想到用锁，比如：

//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;
}

但是用锁的代价太高了，因此又出现了Double-Checked Locking Pattern (DCLP)，双检查锁

//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;
}

Double-Checked Locking Pattern (DCLP)，使用两次判断来解决线程安全问题并且提高效率。但是，在很久之后，发现Double-Checked Locking Pattern (DCLP)实际上也是存在严重的线程安全问题。

Scott Meyers and 和Alexandrescu写的一篇文章里面专门分析了这种解决方案的问题C++ and the Perils of Double-Checked Locking

文章链接如下：

https://www.aristeia.com/Papers/DDJ_Jul_Aug_2004_revised.pdf

双检查锁，但由于内存读写reorder不安全

reorder不安全指的是什么呢，我们先看下面代码：

instance_ = new Singleton;

这条语句实际上做了三件事，第一：申请一块内存，第二：调用构造函数，第三：将该对象内存地址赋给instance_。

    if (instance_ == nullptr) {  \\ 语句1
      std::lock_guard lock(mutex_);
      if (instance_ == nullptr) {
        instance_ = new Singleton;  \\ 语句2
      }
    }

但由于编译器可能先将该内存地址赋给instance_，然后再调用构造函数。那么，如果线程A恰好申请完内存，并且将内存地址赋给instance_，但是还没调用构造函数的时候。线程B执行到语句1，判断instance_此时不为空，则返回该变量，然后调用该对象的函数，但是线程A使用的对象还没有进行构造。

不过，现在C++11 提供了解决加锁导致效率问题，如下：

//C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)
std::atomicSingleton::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 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;
}

在C++11中还提供一种方法，使得函数可以线程安全的只调用一次。即使用std::call_once和std::once_flag。std::call_once是一种lazy load的很简单易用的机制。

使用std::call_once实现单例

实现代码如下：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>

class Singleton {
public:
  static Singleton& GetInstance() {
    static std::once_flag s_flag;
    std::call_once(s_flag, [&]() {
      instance_.reset(new Singleton);
    });

    return *instance_;
  }
  ~Singleton() = default;

private:
  Singleton() = default;

  Singleton(const Singleton&) = delete;
  Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
  static std::unique_ptr<Singleton> instance_;
};

std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance_;

int main() {
  Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();
  Singleton& s2 = Singleton::GetInstance();
  return 0;
}

单例模式的定义

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点

结构

要点总结

lSingleton 模式中的实例构造器可以设置为protected 以允许子类派生。

lSingleton 模式一般不要支持拷贝构造方法和 clone 接口，因为这有可能导致多个对象实例，违背 Singleton 模式的初衷。

l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。

C++ 单例模式学习(Singleton)

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