【设计模式】09 Singleton单例模式

Singleton单例模式

1 动机

（1）在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证他们在系统中只存在一个实例，才能确保他们的逻辑正确性，以及良好的效率。
（2）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？
注：工厂模式之类的是绕过new，来解决紧耦合问题；单例模式是绕过常规的构造器，解决性能问题
（3）这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。

2 模式定义

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。

3 结构

4 伪代码

class Singleton{
private://不写这个构造和拷贝构造不行，编译器会默认有缺省的共有的构造和拷贝构造
//让外界不能用就设置私有
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);
	Singleton&operator=(const Singleton&);
public:
    static Singleton* getInstance();//静态函数
    static Singleton* m_instance;//静态变量
};

Singleton* Singleton::m_instance=nullptr;//设置成nullptr确认这是一个堆对象

//线程非安全版本（多线程不安全）
Singleton* Singleton::getInstance() {
    if (m_instance == nullptr) {//多线程可能同时进来，那么就会创建多个m_instance对象
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}



//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;
}



//双检查锁，但由于内存读写reorder（重排列）不安全
Singleton* Singleton::getInstance() {
    
    if(m_instance==nullptr){
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();//常规默认：1分配内存；2调用构造器；3赋值给m_instance。（编译器可能会出现重排列）
			
        }
    }
    return m_instance;
}



//加入volatile，那么编译器就会根据常规步骤进行，而不会对代码进行优化
//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);//屏蔽编译器的reorder
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);//获取内存fence（栅栏屏蔽）//这两步屏蔽编译器的reorder
    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;
}

5 要点总结

（1）Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。
（2）Singleton模式一般不要支持拷贝构造函数的Clone接口，因为这有可能导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背。
（3）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。