對象性能模式之單例模式（Singleton）

一、概念

  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

二、動機

  在軟件系統中，經常有這樣一個特殊的類，必須保證它們在系統中只存在一個示例，才能確保他們的邏輯正確性、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？工廠模式繞過new是爲了避開緊耦合，單例模式避開new，是解決性能問題這個應該類設計者的責任，而不是使用者的責任。解決方案：

• 將構造函數設置爲私有的；

• 提供一個全局的靜態方法；

• 定義一個靜態指針，指向本類的變量的靜態變量指針。

三、單例模式的實現

class Singleton {
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);
public:
    static Singleton* getInstance(); // 靜態成員是類的成員而不是對象的成員
    static Singleton* m_instance;
};

// 靜態成員需要在類外初始化
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

// 線程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() { // 由於是在類的外部定義，也是靜態方法，不用加static
    if (m_instance == nullptr) {
    	// 下面這行代碼可以被多個線程執行，因此不是線程安全的
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}

// 線程安全版本，但鎖的代價過高
Singleton* Singleton::getInstance() {
	// 鎖的局部變量，會在函數結束時自動釋放，我們也可以設置爲全局變量鎖。
	// 局部變量鎖可用是因爲這個函數是靜態方法，所以大家獲取的還是一個鎖
    Lock lock;
    if (m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}

// 雙檢查鎖，但由於內存讀寫reorder不安全
Singleton* Singleton::getInstance() {
    if(m_instance==nullptr) {
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) {
        	// 分配內存->調用構造函數->賦值，但是編譯器可能對這一過程進行優化，所以內存讀寫reorder不安全
            m_instance = new Singleton(); 
        }
    }
    return m_instance;
}

// C++ 11版本之後的跨平臺實現 (volatile)
std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance; // 原子對象
std::mutex Singleton::m_mutex;　　

Singleton* Singleton::getInstance() {
    Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); // 屏蔽編譯器reorder
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); // 獲取內存fence
    if (tmp == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); // 鎖的設置
        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); // 取變量出來
        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); // 存放變量回去
        }
    }
    return tmp;
}

四、類圖結構

五、要點總結

• Singleton模式中的實例構造器可以設置爲protected以允許子類派生。

• Singleton模式一般不要支持拷貝構造函數和Clone接口，因爲這有可能會導致多個對象實例，與Singleton模式的初衷相違背。

• 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。