设计模式 —— 单例模式

“对象性能”模式

面向对象很好的解决了“抽象”的问题，但是不可避免付出一定代价，如虚函数。通常情况，面向对象的成本可忽略不计。但是某些情况，面向对象所带来的成本必须谨慎处理。

典型模式

• 单件模式
• 享元模式

单例模式

动机

• 在软件系统中，经常有一些特殊的类，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？
• 以上要求应该是类设计者的责任，而非使用的责任。

如何实现：

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;
}

首先显示声明构造函数与拷贝构造函数为私有的，避免外界调用。
其中静态方法getInstance()，在第一次调用时，条件为真，创建对象，后面再调用时，判断条件不成立，就一直只有一个对象。该方法在单线程环境下是安全的。但是在多线程条件下，就不安全。例如在ThreadA执行完14行还未执行15行new，此时ThreadB分配到时间片，执行14行也会进入到执行15行，所以多线程环境下对象可能会被创建多次。

那么如何解决？有以下思路：

加锁

//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;
}

虽然能保证线程安全，但是锁的代价太高。分析如下：
假设线程A已经进到行4，此时线程B分到时间片，想要调用，到第3行就会不成立。如果对象已经创建，每次执行if判断都不会进入new，所以整个调用都是在判断与返回，即是在读变量m_instance，而对于读操作，是不需要加锁的。所有此时的锁会造成浪费(比如等待，锁自己也是种资源)，尤其是在高并发的场景下。于是有了双检查锁：

//双检查锁，锁前检查锁后检查
Singleton* Singleton::getInstance() {
    if(m_instance == nullptr){
        Lock lock;
        if(m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    return m_instance;
}

锁前检查是为了让线程判断到对象已创建时，不用访问锁，并直接返回，这样就减少开销。在锁后检查是为了当两线程都进入第一个 if(m_instance == nullptr) 后，防止多次创建对象。

但是，双检查锁会由于内存读写reorder而失效
通常情况，代码编译时会生成指令序列，且会认为会按照指令序列执行。代码是以指令形式来抢占CPU的时间片的。以第6行为例：m_instance = new Singleton();
 我们假设该语句会有以下几个部分：
　　Step1 ：先分配内存
　　Step2 ：调用SingleTon的构造器并对内存进行初始化
　　Step3 ：把指向内存的指针赋值给m_instance

以上三个步骤是人认为的，但经编译器优化，CPU有可能会reorder，如下：
　　Step1 ：先分配内存
　　Step2 ：把指向内存的指针赋值给m_instance
　　Step3 ：调用SingleTon的构造器并对内存进行初始化

那么就可能出现这种情况：

线程A执行到6，先分配内存，在将指向内存的指针赋给m_instance，此时轮到线程B，线程B判断到m_instance不为空，就直接返回对象，但是此时该对象还没有被构造。
所有的编译器，如果不对双检查锁的reorder漏洞处理，不能使用双检查锁，出错的概率很高。
对于Java，C#语言可以采用volatile处理，C++只有在11后才有解决方案：

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);
    if(m_instance == nullptr){
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
        if(m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
    m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);

        }
    }
    return tmp;
}

要点总结

• 单例模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。
• 单例模式一般不要支持拷贝构造和clone接口，避免导致多个实例对象
• 如何实现多线程环境下的安全的单例模式，注意双检查锁的实现。

更多更详细的单例模式实现见：C++设计模式——单例模式