C++ 单例模式

单例模式指的是在一个进程中，只允许存在一个类的实例。在C++中，通过将其构造函数定义为private，然后提供一个getInstance()的接口来实现。这个接口通过一些存在性判断，控制只有一个实例产生（如果没有则创建，如果有则返回之前的）。

1. 一个简单的单例模式

  7 class Singleton {
  8   private:    
  9     static Singleton* instance;    
 10     Singleton() {} // 构造函数私有化，防止实例化多个对象
 11   public:    
 12     static Singleton* getInstance() {        
 13       if(instance == nullptr) {            
 14         instance = new Singleton();        
 15       }        
 16       return instance;    
 17     }    
 18     void someMethod() {        // 该单例类的一些方法    
 19     }
 20 };
 21 
 22 Singleton* Singleton::instance = nullptr; // 静态成员变量需要在类外初始化

2. 饿汉式与懒汉式

饿汉式与懒汉式指的是创建对象的时机，饿汉式指在程序开始运行时便“迫不及待”创建对象，而懒汉式指的是，只有某个地方调用了getInstance()后，才“慢悠悠”的创建对象。

所以，饿汉式在类外实例化对象，而懒汉式则在getInstance()中实例化对象，上面的例子显然属于懒汉式，对应的饿汉式代码如下：

  7 class Singleton {
  8   private:    
  9     static Singleton* instance;    
 10     Singleton() {} // 构造函数私有化，防止实例化多个对象
 11   public:    
 12     static Singleton* getInstance() {           
 16       return instance;    
 17     }    
 18     void someMethod() {        // 该单例类的一些方法    
 19     }
 20 };
 21 
 22 Singleton* Singleton::instance = new Singleton(); // 静态成员变量需要在类外初始化

3. 指针与引用

上面的两个例子getInstance()都是返回对象的指针，其实也可以返回对象的引用。此时，成员变量不再是指针，而直接是一个对象。

  7 class Singleton {
  8   private:    
 10     Singleton() {} // 构造函数私有化，防止实例化多个对象
 11   public:    
 12     static Singleton& getInstance() {
            static Singleton instance;            
 16       return instance;    
 17     }    
 18     void someMethod() {        // 该单例类的一些方法    
 19     }
 20 };

  7 class Singleton {
  8   private:    
  9     static Singleton instance;    
 10     Singleton() {} // 构造函数私有化，防止实例化多个对象
 11   public:    
 12     static Singleton& getInstance() {           
 16       return instance;    
 17     }    
 18     void someMethod() {        // 该单例类的一些方法    
 19     }
 20 };
 21 
 22 Singleton Singleton::instance; // 静态成员变量需要在类外初始化

4. 线程安全

现在我们有了4种模式，它们创建的线程安全性如下：

	饿汉式	懒汉式
返回指针	线程安全	线程不安全
返回引用	线程安全	线程安全

饿汉式都是线程安全的，因为它创建对象在程序初始化全局变量时，此时还没有多线程存在。

懒汉式的引用版本是线程安全的，指针版本不是线程安全的，这里面有一段历史故事：

其实懒汉式由于将创建对象推迟到了getInstance()接口中，如果没有同步机制，很难保证是否会有两个线程同时调用它，所以懒汉式天生是线程不安全的。但在c++11中作了如下规定：编译器要保证静态局部变量构造的线程安全性。那编译器是怎么做到这一点的呢，其实非常简单，那就是加锁（如果你理解操作系统，你就发现这个世界上不存在任何所谓新的语言特性）。不过这会导致一些问题，后面我们再说。

这样一来，懒汉式就借了静态局部变量的东风，“不用加锁”就能保证线程安全了。指针则没有这种便利了，必须手动加锁以保证线程安全性。

基于以上事实，很多人得到了“利用静态局部变量来实现单例模式是最佳实践”的结论，当然这并没有什么过错，但正如刚提到的，静态局部变量是默认加锁的！所以哪怕是单线程中，只要你使用了静态局部变量，那就会有加锁解锁的开销（所以这也是静态局部变量的一个天生缺陷）。反观饿汉式则天生线程安全，并不需要加锁。

还有一个容易让人忽略的地方是，虽然我们讨论了这么多线程安全性，但这仅仅是限于构造这个对象时的，并不包括对这对象的访问！

所以无论是饿汉式还是懒汉式，是指针版本还是引用版本，如果要保证线程安全，所有访问对象成员的操作都需要手动加锁！

5. 最佳实践

真香定律告警！！！！！

虽然说了这么多懒汉式的缺点，但毕竟使用方便，锁的开销其实也没那么大，所以如果要实现一个单例模式，懒汉式还是首选。（还有一部分原因是，单例模式大部分情况是需要线程安全的，所以就算采用饿汉式，后面访问对象还是需要手动加锁）

而指针还需要自己new 还要自己想着delete，所以首选引用模式。

再考虑到线程安全性，需要手动加锁保护成员变量：

 81 class Singleton {
 82   private:
 83     Singleton() = default;
 84     std::mutex mtx; //要保证线程安全，必须加锁
 85   public:
 86     static Singleton& getInstance() {
 87       static Singleton instance;
 88       return instance;
 89     }
 90     virtual ~Singleton() noexcept = default; //生成析构函数
 91 
 92     Singleton(Singleton const &other) = delete; //禁用复制构造函数
 93     Singleton(Singleton &&other) = delete; //禁用移动构造函数
 94 
 95     Singleton &operator=(Singleton const &other) & = delete; //禁用赋值操作符
 96     Singleton &operator=(Singleton &&other) & = delete; //禁用移动操作符
 97     void someMethod() {        // 该单例类的一些方法
 98       std::unique_lock lock(mtx)
 99     }
100 };