C++ 单例模式详解

1. 什么是单例模式

单例模式(Singleton Pattern，也称为单件模式)，使用最广泛的设计模式之一。其意图是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。

定义一个单例类：

1. 私有化它的构造函数，以防止外界创建单例类的对象；
2. 使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例；
3. 使用一个公有的静态方法获取该实例。

2. 懒汉版（Lazy Singleton）

教学版，即懒汉版（Lazy Singleton）：单例实例在第一次被使用时才进行初始化，这叫做延迟初始化。

// version 1.0
class Singleton
{
private:
	static Singleton* instance;
private:
	Singleton() {};
	~Singleton() {};
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
	static Singleton* getInstance() 
        {
		if(instance == NULL) 
			instance = new Singleton();
		return instance;
	}
};

// init static member
Singleton* Singleton::instance = NULL;

问题1：Lazy Singleton存在内存泄露的问题，有两种解决方法：

1. 使用智能指针
2. 使用静态的嵌套类对象

对于第二种解决方法，代码如下：

// version 1.1
class Singleton
{
private:
	static Singleton* instance;
private:
	Singleton() { };
	~Singleton() { };
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
private:
	class Deletor {
	public:
		~Deletor() {
			if(Singleton::instance != NULL)
				delete Singleton::instance;
		}
	};
	static Deletor deletor;
public:
	static Singleton* getInstance() {
		if(instance == NULL) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
};

// init static member
Singleton* Singleton::instance = NULL;

在程序运行结束时，系统会调用静态成员deletor的析构函数，该析构函数会删除单例的唯一实例。使用这种方法释放单例对象有以下特征：

• 在单例类内部定义专有的嵌套类。
• 在单例类内定义私有的专门用于释放的静态成员。
• 利用程序在结束时析构全局变量的特性，选择最终的释放时机。

在单例类内再定义一个嵌套类，总是感觉很麻烦。

 

问题2：这个代码在单线程环境下是正确无误的，但是当拿到多线程环境下时这份代码就会出现race condition，注意version 1.0与version 1.1都不是线程安全的。要使其线程安全，能在多线程环境下实现单例模式，我们首先想到的是利用同步机制来正确的保护我们的shared data。可以使用双检测锁模式（DCL: Double-Checked Locking Pattern）：

static Singleton* getInstance() {
	if(instance == NULL) {
		Lock lock;  // 基于作用域的加锁，超出作用域，自动调用析构函数解锁
        if(instance == NULL) {
        	instance = new Singleton();
        }
	}
	return instance;
}

注意，线程安全问题仅出现在第一次初始化（new）过程中，而在后面获取该实例的时候并不会遇到，也就没有必要再使用lock。双检测锁很好地解决了这个问题，它通过加锁前检测是否已经初始化，避免了每次获取实例时都要首先获取锁资源。

加入DCL后，其实还是有问题的，关于memory model。在某些内存模型中（虽然不常见）或者是由于编译器的优化以及运行时优化等等原因，使得instance虽然已经不是nullptr但是其所指对象还没有完成构造，这种情况下，另一个线程如果调用getInstance()就有可能使用到一个不完全初始化的对象。换句话说，就是代码中第2行：if(instance == NULL)和第六行instance = new Singleton();没有正确的同步，在某种情况下会出现new返回了地址赋值给instance变量而Singleton此时还没有构造完全，当另一个线程随后运行到第2行时将不会进入if从而返回了不完全的实例对象给用户使用，造成了严重的错误。在C++11没有出来的时候，只能靠插入两个memory barrier（内存屏障）来解决这个错误，但是C++11引进了memory model，提供了Atomic实现内存的同步访问，即不同线程总是获取对象修改前或修改后的值，无法在对象修改期间获得该对象。

因此，在有了C++11后就可以正确的跨平台的实现DCL模式了，利用atomic，代码如下：

atomic Widget::pInstance{ nullptr };
Widget* Widget::Instance() {
    if (pInstance == nullptr) { 
        lock_guard lock{ mutW }; 
        if (pInstance == nullptr) { 
            pInstance = new Widget(); 
        }
    } 
    return pInstance;
}

C++11中的atomic类的默认memory_order_seq_cst保证了3、6行代码的正确同步，由于上面的atomic需要一些性能上的损失，因此我们可以写一个优化的版本：

atomic Widget::pInstance{ nullptr };
Widget* Widget::Instance() {
    Widget* p = pInstance;
    if (p == nullptr) { 
        lock_guard lock{ mutW }; 
        if ((p = pInstance) == nullptr) { 
            pInstance = p = new Widget(); 
        }
    } 
    return p;
}

Best of All:

C++11规定了local static在多线程条件下的初始化行为，要求编译器保证了内部静态变量的线程安全性。在C++11标准下，《Effective C++》提出了一种更优雅的单例模式实现，使用函数内的 local static 对象。这样，只有当第一次访问getInstance()方法时才创建实例。这种方法也被称为Meyers' Singleton。C++0x之后该实现是线程安全的，C++0x之前仍需加锁。

// version 1.2
class Singleton
{
private:
	Singleton() { };
	~Singleton() { };
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
	static Singleton& getInstance() 
        {
		static Singleton instance;
		return instance;
	}
};

3. 饿汉版（Eager Singleton）

饿汉版（Eager Singleton）：指单例实例在程序运行时被立即执行初始化

// version 1.3
class Singleton
{
private:
	static Singleton instance;
private:
	Singleton();
	~Singleton();
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
	static Singleton& getInstance() {
		return instance;
	}
}

// initialize defaultly
Singleton Singleton::instance;

由于在main函数之前初始化，所以没有线程安全的问题。但是潜在问题在于no-local static对象（函数外的static对象）在不同编译单元中的初始化顺序是未定义的。也即，static Singleton instance;和static Singleton& getInstance()二者的初始化顺序不确定，如果在初始化完成之前调用 getInstance() 方法会返回一个未定义的实例。

总结：

• Eager Singleton 虽然是线程安全的，但存在潜在问题；
• Lazy Singleton通常需要加锁来保证线程安全，但局部静态变量版本在C++11后是线程安全的；
• 局部静态变量版本（Meyers Singleton）最优雅。

4. 何时使用单例模式？

Use a Singleton if:

• If you need to have one and only one object of a type in system

Do not use a Singleton if:

• If you want to save memory
• If you want to try something new
• If you want to show off how much you know
• Because everyone else is doing it (See cargo cult programmer in wikipedia)
• In user interface widgets
• It is supposed to be a cache
• In strings
• In Sessions
• I can go all day long

How to create the best singleton:

• The smaller, the better. I am a minimalist
• Make sure it is thread safe
• Make sure it is never null
• Make sure it is created only once
• Lazy or system initialization? Up to your requirements
• Sometimes the OS or the JVM creates singletons for you (e.g. in Java every class definition is a singleton)
• Provide a destructor or somehow figure out how to dispose resources
• Use little memory

 

补充：C++中static对象的初始化

non-local static对象（函数外）

C++规定，non-local static 对象的初始化发生在main函数执行之前，也即main函数之前的单线程启动阶段，所以不存在线程安全问题。但C++没有规定多个non-local static 对象的初始化顺序，尤其是来自多个编译单元的non-local static对象，他们的初始化顺序是随机的。

local static 对象（函数内）

对于local static 对象，其初始化发生在控制流第一次执行到该对象的初始化语句时。多个线程的控制流可能同时到达其初始化语句。

在C++11之前，在多线程环境下local static对象的初始化并不是线程安全的。具体表现就是：如果一个线程正在执行local static对象的初始化语句但还没有完成初始化，此时若其它线程也执行到该语句，那么这个线程会认为自己是第一次执行该语句并进入该local static对象的构造函数中。这会造成这个local static对象的重复构造，进而产生内存泄露问题。所以，local static对象在多线程环境下的重复构造问题是需要解决的。

而C++11则在语言规范中解决了这个问题。C++11规定，在一个线程开始local static 对象的初始化后到完成初始化前，其他线程执行到这个local static对象的初始化语句就会等待，直到该local static 对象初始化完成。