設計模式筆記12：單例模式

Singleton

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"對象性能"模式

面向對象很好地解決了“抽象”的問題，但是必不可免地要付出一定的代價，對於通常情況來講，面向對象的成本大都可以忽略不計。但是某些情況，面向對象所帶來的成本必須謹慎處理。

典型模式：

• SIngleton
• Flyweight

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動機

• 經常有這樣一些特殊的類，必須保證它們在系統中只存在一個實例，才能確保它們的邏輯正確性、以及良好的效率。
• 如何繞過常規的構造器，提供一種機制來保證一個類只有一個實例？
• 這應該是類設計者的責任，而不是使用者的責任。

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模式定義

保證一個類僅有一個實例，並提供一個該實例的全局訪問點。 ——《設計模式》GoF

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要點總結

• 實例構造器可以設置爲protected以允許子類派生。
• 一般不要支持拷貝構造函數和Clone接口，因爲這有可能導致多個對象實例，與Singleton模式的初中違背。
• 如何實現多線程環境下安全的Singleton？注意對雙檢查鎖的正確實現。

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Demo

Singleton.cpp：

class Singleton{
//1.設置構造函數、拷貝構造函數爲私有
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);
//2.設置靜態變量與靜態獲取方法
public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};

Singleton* Singleton::m_instance=nullptr;


//線程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() {
    if (m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}



//線程安全版本，但鎖的代價過高，（高併發時需等待）
Singleton* Singleton::getInstance() {
    Lock lock;
    //...加鎖
    if (m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
    //...解鎖
}



//雙檢查鎖，但由於內存讀寫reorder不安全
//預想的new過程：malloc --> 調用構造函數 --> 返回對象指針
//編譯器有可能進行優化，reorder後的new過程：malloc --> 返回對象指針 --> 調用構造函數
//m_instance只是一個內存地址，沒有經過構造器，不加volatile不能用
Singleton* Singleton::getInstance() {
    
    if(m_instance == nullptr){ //假如單例已經創建，多個線程同時讀該變量，則可不需加鎖；都是讀操作時不需要加鎖的
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    return m_instance;
}



//C++ 11版本之後的跨平臺實現 (volatile，只有VSC++可以使用，防止編譯器優化)
//也可以使用懶漢模式，不用這麼多代碼
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);//獲取內存fence （內存屏障）
    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);//釋放內存fence
            m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
        }
    }
    return tmp;
}

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結構

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懶漢式和餓漢式區別

所謂餓漢式，就是直接創建出類的實例化；
而對於懶漢式，就是在需要的時候再創建類的實例化
本文爲懶漢式單例模式，具體差異請參考： 單例模式（懶漢式和餓漢式區別）