Singleton模式

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1. 背景2. 定义3. 代码实现(1) Singleton类的特点(2) Singleton类的代码实现(3) getInstance()的代码实现方案1：单线程版本，多线程不安全方案2: 锁后判断，线程安全，缺陷是代价太高方案3： 锁前判断，达不到单例的目的方案4：double check, 锁前锁后都加判断，由于内存读写reorder导致不安全方案5：限制reorder操作的double check

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1. 背景

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，才能确保它们的逻辑正确性，以及良好的效率。 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？ 这应该是类设计这的责任，而不是使用者的责任。

2. 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。 《设计模式》 GoF

3. 代码实现

(1) Singleton类的特点

构造函数被被声明成私有函数，防止用户直接调用构造函数实例化类。在用户没有自己写构造函数的情况下，编译器会默认为类生成两个公有的构造函数：无参数构造函数和拷贝构造函数。因此除了用户自己写的构造函数会被声明成私有的，这两个函数也要确保是私有的。类的实例化是通过调用静态成员函数getInstance()来实现的，获取类的对象也是通过这个对象来实现的。

(2) Singleton类的代码实现

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

(3) getInstance()的代码实现

方案1：单线程版本，多线程不安全

Singleton* Singleton::get_instance() { if (m_instance == nullptr) { m_instance = new Singleton(); } return m_instance; }

方案2: 锁后判断，线程安全，缺陷是代价太高

代价太高的原因 在多线程下，写操作是需要线程保护的，读操作是不需要线程保护的。对应到这里就是只有在第一次实例化Singletonl类的时候（写操作）需要加锁保护，后续调用getInstance函数获取对象指针的时候（读操作）不需要加锁保护。而方案2的代码实现，无论读写操作都需要加锁。这显然限制了读操作的效率， 不适合高并发的项目

Singleton* Singleton::get_instance() { Lock lock; if (m_instance == nullptr) { m_instance = new Singleton(); } return m_instance; }

方案3： 锁前判断，达不到单例的目的

**达不到单例的目的的原因 线程A在执行完if判断后时间片耗完，此时线程B执行if判断。此时线程A和B判断的结果都是true, 都会执行判断体里面的代码，此时Singleton对象会被多次实例化。

Singleton Singleton::get_instance() { if (m_instance == nullptr) { Lock lock; m_instance = new Singleton(); } return m_instance; }

方案4：double check, 锁前锁后都加判断，由于内存读写reorder导致不安全

由于内存读写reorder导致不安全的解释

m_instance = new Singleton();

这行代码编译器执行的时候的正常情况下会拆分成三个步骤：

step1：分配一片内存空间用于实例化Singleton对象， step2：通过构造函数实例化对象，即对这片内存空间进行读写， step3：完成实例化后，将这片内存的首地址赋给指针m_instace。

由于编译器的reorder优化，可能这行代码上述步骤完成，他可能将上述的step2和step3反过来执行。 应用到方案4的实现上，如果线程A使用了reorder优化，线程A执行完step1和step3，时间片耗完。此时线程B执行getInstance函数，线程B在第一个判断时，发现m_instance不为nullptr, 继续往下执行，由于线程A并没有对这片内存进行初始化，因此线程B从线程中获取的内容都是随机的。 由于这是编译器优化上的bug，理论上来说在代码上是无法修复的。除非用户显示指定编译器不对上述代码进行优化，这就是方案5的实现

方案5：限制reorder操作的double check

c# ， java会通过volatile关键字来告诉编译器不要进行reorder，后来微软的c++平台VC++也加入了这个关键字。但跨平台的实现还是通过以下代码。

// c++1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::mempry_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; }