对象性能模式之单例模式（Singleton）

一、概念

  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。—《设计模式》GoF

二、动机

  在软件系统中，经常有这样一个特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个示例，才能确保他们的逻辑正确性、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？工厂模式绕过new是为了避开紧耦合，单例模式避开new，是解决性能问题这个应该类设计者的责任，而不是使用者的责任。解决方案：

• 将构造函数设置为私有的；

• 提供一个全局的静态方法；

• 定义一个静态指针，指向本类的变量的静态变量指针。

三、单例模式的实现

class Singleton {
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);
public:
    static Singleton* getInstance(); // 静态成员是类的成员而不是对象的成员
    static Singleton* m_instance;
};

// 静态成员需要在类外初始化
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

// 线程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() { // 由于是在类的外部定义，也是静态方法，不用加static
    if (m_instance == nullptr) {
    	// 下面这行代码可以被多个线程执行，因此不是线程安全的
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}

// 线程安全版本，但锁的代价过高
Singleton* Singleton::getInstance() {
	// 锁的局部变量，会在函数结束时自动释放，我们也可以设置为全局变量锁。
	// 局部变量锁可用是因为这个函数是静态方法，所以大家获取的还是一个锁
    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) {
        	// 分配内存->调用构造函数->赋值，但是编译器可能对这一过程进行优化，所以内存读写reorder不安全
            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; // 原子对象
std::mutex Singleton::m_mutex;　　

Singleton* Singleton::getInstance() {
    Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); // 屏蔽编译器reorder
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); // 获取内存fence
    if (tmp == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex); // 锁的设置
        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); // 取变量出来
        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); // 存放变量回去
        }
    }
    return tmp;
}

四、类图结构

五、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，因为这有可能会导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷相违背。

• 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。