最近在学习设计模式，学到单例模式，觉得这一讲讲的挺好的，整理一下，一起学习学习。单例模式可能大家都已经非常熟悉了。
单例模式属于“对象性能”模式
“对象性能”模式
面向对象很好地解决了“抽象”的问题，但是不可避免地要付出一定的代价。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(享元模式)
Singleton 单例模式
动机
l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，才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率
l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？
l这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任
通过代码示例来看看：
class Singleton{
private:
// 防止外部构造。
Singleton() = default;
// 防止拷贝和赋值。
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
??Singleton(const?Singleton&?singleton2)?=?delete;
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;
}
很明显上面这种方法存在线程安全稳定，那么通常会想到用锁，比如：
//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;
}
但是用锁的代价太高了，因此又出现了Double-Checked Locking Pattern (DCLP)，双检查锁
//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;
}
Double-Checked Locking Pattern (DCLP)，使用两次判断来解决线程安全问题并且提高效率。但是，在很久之后，发现Double-Checked Locking Pattern (DCLP)实际上也是存在严重的线程安全问题。
Scott Meyers and 和Alexandrescu写的一篇文章里面专门分析了这种解决方案的问题C++ and the Perils of Double-Checked Locking
文章链接如下：
https://www.aristeia.com/Papers/DDJ_Jul_Aug_2004_revised.pdf
双检查锁，但由于内存读写reorder不安全
reorder不安全指的是什么呢，我们先看下面代码：
instance_ = new Singleton;
这条语句实际上做了三件事，第一：申请一块内存，第二：调用构造函数，第三：将该对象内存地址赋给instance_。
if (instance_ == nullptr) { \\ 语句1
std::lock_guard lock(mutex_);
if (instance_ == nullptr) {
instance_ = new Singleton; \\ 语句2
}
}
但由于编译器可能先将该内存地址赋给instance_，然后再调用构造函数。那么，如果线程A恰好申请完内存，并且将内存地址赋给instance_，但是还没调用构造函数的时候。线程B执行到语句1，判断instance_此时不为空，则返回该变量，然后调用该对象的函数，但是线程A使用的对象还没有进行构造。
不过，现在C++11 提供了解决加锁导致效率问题，如下：
//C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)
std::atomicSingleton::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;
}
在C++11中还提供一种方法，使得函数可以线程安全的只调用一次。即使用std::call_once和std::once_flag。std::call_once是一种lazy load的很简单易用的机制。
使用std::call_once实现单例
实现代码如下：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>
class Singleton {
public:
static Singleton& GetInstance() {
static std::once_flag s_flag;
std::call_once(s_flag, [&]() {
instance_.reset(new Singleton);
????});
return *instance_;
??}
??~Singleton()?=?default;
private:
Singleton() = default;
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
static std::unique_ptr<Singleton> instance_;
};
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance_;
int main() {
??Singleton&?s1?=?Singleton::GetInstance();
??Singleton&?s2?=?Singleton::GetInstance();
return 0;
}
单例模式的定义
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
要点总结
lSingleton 模式中的实例构造器可以设置为protected 以允许子类派生。
lSingleton 模式一般不要支持拷贝构造方法和 clone 接口，因为这有可能导致多个对象实例，违背 Singleton 模式的初衷。
l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。