设计模式之单例模式

何谓单例模式？

在一个项目中，全局范围内，某个类的实例有且仅有一个，通过这个唯一实例向其他模块提供数据的全局访问，这种模式就是单例模式。一个典型应用就是任务队列。

创建一个实例我们有如下方法：

1. 构造函数
2. 拷贝构造函数
3. 赋值构造函数
4. 移动构造函数
5. 移动赋值函数

我们只需要一个实例， 那么就要限制获取实例的途径：

1. 将构造函数私有化，在类内部只调用一次。
2. 其他函数声明用 = delete 修饰

注意：

• 在类外部不能调用构造函数，所以在类内部创建的这个唯一的对象必须是静态的，这样就可以通过类名来访问了，为了不破坏类的封装，把这个静态对象的访问权限设置为私有的
• 在类中，静态成员函数才能访问其静态成员变量，所以给这个单例类提供一个静态函数用于得到这个静态的单例对象

单例模式的类的示例代码

因此，定义一个单例模式的类的示例代码如下：

// 定义一个单例模式的类
class Singleton {
public:Singleton(const Singleton& oth) = delete;Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;Singleton(Singleton&& oth) = delete;Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;static Singleton* get_instance();
private:Singleton() = default;static Singleton* instance_;
}

饿汉模式

所谓饿汉模式是在类加载的时候立即进行实例化，这样就得到了唯一的实例。

注意：类的静态成员变量在使用之前必须在类的外部进行初始化。

class Singleton {
public:Singleton(const Singleton& oth) = delete;Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;Singleton(Singleton&& oth) = delete;Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;static Singleton* get_instance() {return instance_;}
private:Singleton() = default;static Singleton* instance_;
}// 初始化
Singleton* Singleton::instance_ = new Singleton;int main() {......Singleton* ins = Singleton::get_instance();......
}

懒汉模式

懒汉模式一如其名“懒得不行”，在类加载的时候并不进行对象的实例化，而是等到需要的时候再进行实例化。这可能会引发线程安全问题！

下面这段代码在单线程下没有问题，但在多线程环境下将出现线程安全问题。

class Singleton {
public:Singleton(const Singleton& oth) = delete;Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;Singleton(Singleton&& oth) = delete;Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;static Singleton* get_instance() {if (instance_ == nulllptr) {instance_ = new Singleton;}return instance_;}
private:Singleton() = default;static Singleton* instance_;
}
// 类加载时并不进行实例化
Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;int main() {......// 此时进行实例化Singleton* ins = Singleton::get_instance();......
}

试想在多线程环境下，同时有两个线程调用了 get_instance()，它们看到的instance_ 都是nullptr，那么就会创建出两个实例！怎么解决呢？

互斥锁保护

class Singleton {
public:Singleton(const Singleton& oth) = delete;Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;Singleton(Singleton&& oth) = delete;Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;static Singleton* get_instance() {m_instance_.lock();if (instance_ == nulllptr) {instance_ = new Singleton;}m_instance_.unlock();return instance_;}
private:Singleton() = default;static Singleton* instance_;static mutex m_instance_;
}
// 类加载时并不进行实例化
Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
mutex Singleton::m_instance_;

这种简单使用互斥锁虽然可以解决线程安全问题，但是获取实例都需要上锁检查（不仅第一次创建实例时需要上锁，即使已经创建了实例仍然需要上锁检查），效率实在低下！

双重检查锁定

通过两个嵌套的if来判断单例对象是否为空的操作叫做双重检查锁定

我们改进的思路就是在加锁、解锁的代码块外层再添加一个判断，这样当任务队列的实例被创建出来之后，访问这个对象的线程就不会再执行加锁和解锁操作了。

class Singleton {
public:Singleton(const Singleton& oth) = delete;Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;Singleton(Singleton&& oth) = delete;Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;static Singleton* get_instance() {if (instance_ == nulllptr) {m_instance_.lock();if (instance_ == nullptr) {instance_ = new Singleton;}m_instance_.unlock();}return instance_;}
private:Singleton() = default;static Singleton* instance_;static mutex m_instance_;
}
// 类加载时并不进行实例化
Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
mutex Singleton::m_instance_;

万万没想到——可能会使用未创建好的实例？

到此仍然没有大功告成，因为万万没想到机器指令会造成麻烦！
假设线程A执行到instance_ = new Singleton，线程B执行到第一个if (instance_ == nulllptr)。

instance_ = new Singleton在执行过程中对应的机器指令可能会被重新排序。
正常过程如下：

• 分配内存
• 构造对象
• 指针指向分配的内存

但是被重新排序以后执行顺序可能会变成这样：

• 分配内存
• 指针指向分配的内存。
• 构造对象

线程B在进行指针判断的时候instance_ 指针是不为空的，但这个指针指向的内存却没有被初始化！

怎么解决呢？使用atomic 原子操作（不可中断的操作）。

class Singleton {
public:Singleton(const Singleton& oth) = delete;Singleton& operator=(const Singleton& oth) = delete;Singleton(Singleton&& oth) = delete;Singleton& operator=(Singleton&& oth) = delete;static Singleton* get_instance() {Singleton* obj = instance_.load();if (obj== nulllptr) {m_instance_.lock();obj = instance_.load();if (obj == nullptr) {obj = new Singleton();instance_.store(obj);}m_instance_.unlock();}return obj;}
private:Singleton() = default;static mutex m_instance_;static atomic<Singleton*> instance_;
}
atomic<Singleton*> Singleton::instance_;
mutex Singleton::m_instance_;