设计模式笔记—10_Singleton单件模式

Singleton单件模式是一种“对象性能”模式

• 面向对象很好地解决了“抽象”的问题，但是必不可免地要付出一定的代价。对于通常情况来说，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

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

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

代码对比

Singleton.cpp

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（都是读取操作的话会一直等待）
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();	//先分配内存，再调用构造器，把指针的返回值（内存地址）给m_instance。这三步有可能reorder（由123变成132）
        }
    }
    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;
}

对比

• Singleton单件模式中单件类要把构造函数和拷贝构造函数设置为private
• 线程安全版本下锁的代价过高（都是读取操作的话会一直等待），尤其在高并发状态下
• 50行双检查锁下可能由于内存读写reorder安全
  • 先分配内存，再调用构造器，把指针的返回值（内存地址）给m_instance。这三步有可能reorder（由123变成132）
• 高级语言使用volatile关键字保证编译器在编译时不会reorder
  • 或者可以使用static关键字

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，因为这样有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