单例模式

面向对象很好的解决了“抽象”的问题，但是必不可免的要付出一定的代价。对于通常情况来讲。面向对象的成本大都可以忽略不计。但在某些情况，面向对象所带来的成本必须谨慎处理

• 动机
  • 在软件系统中，经常有一些特殊的类，必须保证他们在系统中 只存在一个实例 ，才能保证他们的逻辑正确性、以及良好的效率
  • 这个是类设计者的责任，而不是使用者的责任

    例子

    非线程安全

    class Singleton(){
    private:
        Singleton();
        Singleton(const Singleton& other);
    
    public:
        static Singleton* getInstance();
        static Singleton* m_instance;
    };
    Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
    
    Singleton* Singleton::getInstance(){
        if(m_instance == nullptr){
            m_instance = new Singleton();
        }
        return m_instance;
    }

    线程安全（加锁代价高）

class Singleton(){
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);

public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

Singleton* Singleton::getInstance(){
    Lock lock;// 全局加锁
    if(m_instance == nullptr){
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
    //返回后才会解锁
}

线程安全（加锁代价高）

class Singleton(){
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);

public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

Singleton* Singleton::getInstance(){
    Lock lock;// 全局加锁
    if(m_instance == nullptr){
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
    //返回后才会解锁
}

双检测锁，但由于内存读写reorder不安全(不可以用)

class Singleton(){
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);

public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

Singleton* Singleton::getInstance(){
    
    if(m_instance == nullptr){
        Lock lock;// 局部锁
        if(m_instance == nullptr){
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    return m_instance;
    //返回后才会解锁
}

• reorder
  • 指令序列可能会
    • 可能性1
      1. 先分配内存
      2. 调用构造函数
      3. 将内存返回
  • 可能性2
    1. 先分配内存
    2. 将内存返回
    3. 调用构造函数
• 有可能会返回一个未经初始化的对象

双检查锁，但由于内存读写reorder 不安全

cpp11版本之后的夸平台实现（volatile）

class Singleton(){
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);

public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::mutex;

Singleton* Singleton::getInstance(){
    Singleton* tmp = Singleton.load(std::memory_order_relaxed);
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);//获取内存fence ,屏蔽编译器reorder 
    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);//获取内存fence ,屏蔽编译器
             m_instance.store(tmp,std::memory_order_relaxed);
        }
    }
    return tmp;
}

动机

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

UML图

要点总结

• Singleton模式中的实例构造器可以设置为protect以允许子类派生
• Singleton模式一般不要支持拷贝构造和Clone接口，因为这可能导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背
• 如何实现多线程下安全的Singleton？注意对双检查锁的正确实现