前言

在设计模式中，单例模式是最简单的一种。如何确保让一个资源在使用中只能实例化一次呢？如何确保在多线程环境下是线程安全的呢？本文将从最简单的单例到线程安全的单例一一讲解。

一、单线程环境

以下是最起初的单例模式，声明一个静态实例，每次获取前先判断其是否创建，如果没有就创建，如果有就直接返回创建的对象。

class Singlton{    单例模式下，不能使用拷贝构造、复制构造等函数，所以应将其声明为私有的。    c++11 提供delete 关键字，用于删除不适用的构造函数。private:    Singlton(){};    Singlton(const Singlton& obj);    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;static Singlton* instance;public:    Singlton * Singlton::getInstance(){if(instance == null)            instance = new Singlton();return instance;    }};

二、多线程环境(锁代价过高)

由于上述代码只能运行在单线程环境，在多线程中应该使用锁来实现。

class Singlton{private:    Singlton(){};    Singlton(const Singlton& obj);    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;static std::mutex mx;static Singlton* instance;public:    Singlton * Singlton::getInstance(){std::lockguard<std::mutex> lock(mx); if(instance == null)            instance = new Singlton();return instance;    }};

三、多线程环境双检查锁(reorder现象)

由于加锁会使得锁代价过高，每个线程都会阻塞在 mutex 处，直到获取实例。那么就提出了下面这种双检查锁，先判断当前是否有实例化，如果有直接返回，避免了等待所的过程。

class Singlton{private:    Singlton(){};    Singlton(const Singlton& obj);    Singleton& operator=(const Singleton&)=delete;static std::mutex mx;static Singlton* instance;public:    Singlton * Singlton::getInstance(){if(instance == null){                            1std::lockguard<std::mutex> lock(mx);         2if(instance == null)                        3                instance = new Singlton();                4        }return instance;    }};//因为在多线程下，只是对instance变量的读判断，而读是不需要加锁的，//在第一层检查时，如果另外一个线程读取instance不是null，就直接返回。

问题：因为现代编译器和 CPU 都会进行指令优化重排序，比如一句简单的指令                                    instance = new Singlton()；程序员人为理解： 1、分配内存   2、调用类构造器初始化 3、将内存指针赋值给 instance；但 CPU 执行指令可能会是：1  -->  3  -->  2 的情况，这种现象将 reorder 重排序；那么当线程 t1 执行 3 的时候，线程 t2 判断 instance 不为空，直接返回，卧槽，使用一个为分配好的内存，灾难是无法想象的。

三、 解决多线程安全的单例

为了解决上述 reorder 现象，是能使用内存 fence 去组织编译器进行重排序，那么这将是真正意义上的线程安全的单例模式。

std::atomic Singlton::m_instance;std::mutex Singlton::m_mutex;Singlton* Singlton::getInstance(){    Singlton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);if(tmp == nullptr){std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);if(tmp == nullptr){            tmp = new Singlton;std::amotic_thread_fence(std::memory_order_release);            m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);        }    }return tmp;}

四、c++11的线程安全的单例

c++11中引入了 call_once ,这样就可以编写更加简单的单例模式了，以下是 c++11 的线程安全的单例模式。

#include #include #include 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 instance_;};std::unique_ptr Singleton::instance_;

五、工程中那种好？

其实，需要根据项目的不同，应该选择适合自己的单例模式。注：在项目中，一般可将所有的单例在main函数中进行初始化，所有的以后操作都是读操作，既保证线程安全的单例模式