单例模式

动机or场景

在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保他们的逻辑正确性、以及良好的效率。
如何绕过常规的构建器，提供一种机制来保证一个类只能有一个实例？这应该是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

在这里插入图片描述

举例

class Singleton{
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);
public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};

Singleton* Singleton::m_instance=nullptr;

单例模式本身说起来比较简单，将构造函数设置为protected或者private，但是在多线程下会出现一些未知问题。例如，多线程下，可能出现多个实例的情况。代码如下：

//线程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() {
    if (m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}

为了解决多线程问题，下面引入了锁的机制。

//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;
}

双检查锁的情况下，由于编译器会对代码进行优化，可能会导致与假设中的流程不一样的地方。

例如：

正常情况下，new一个对象的操作分为三步：

Step1：分配地址
Step2：构造，初始化
Step3：return相应指针

经过编译器优化可能会出现：

Step1 > Step3 > Step2
即先返回指针，后初始化。

为了解决这个问题，在C++11上引入了 volatile，他在多线程的作用是：

有些变量是用volatile关键字声明的。当两个线程都要用到某一个变量且该变量的值会被改变时，应该用volatile声明，该关键字的作用是防止优化编译器把变量从内存装入CPU寄存器中。如果变量被装入寄存器，那么两个线程有可能一个使用内存中的变量，一个使用寄存器中的变量，这会造成程序的错误执行。volatile的意思是让编译器每次操作该变量时一定要从内存中真正取出，而不是使用已经存在寄存器中的值。

//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);
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);//获取内存fence
    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;
}