Singleton 单件模式

“对象性能”模式

面向对象很好的解决了“抽象”问题，但必不可免的要付出一定的代价，对于通常情况来讲，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。

典型模式

              •Singleton
              •FlyWeight

动机（Motivation）

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，才能确保它们的逻辑正确性，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？
3. 这应该时类设计者的责任，而不是使用者的责任。

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。

结构（Structure）

伪代码

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
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();
        }
    }
    return m_instance;
}

//C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)
std::atomic 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 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;
}

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一般不要支持拷贝构造和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。
• 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。