创建型模式Creational Patterns之单例模式singleton

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一、单例应用场景

1、应用程序的日志
2、应用的配置
3、多线程的线程池
4、内存池
等等
联想：和单例相类似的有“创建后不能拷贝，只能move”，标准库中有thread、mutex、lock_guard等

二、非常经典的的两个版本

1、懒汉版本(static对象)

class Singleton
{private:Singleton() = default;Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;~Singleton() = default;
public:static Singleton& getInstance(){static Singleton Inst;return Inst;}
};

2、饿汉版本（new pointer）

class Singleton
{private:Singleton() = default;Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;~Singleton() = default;
private:static Singleton* m_instance;
public:static Singleton* getInstance(){return m_instance;}
};
Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton;

三、饿汉版本（new pointer）的多线程探讨

1、多线程非安全版本

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

非安全原因：多线程都同时第一次进入getInstance()函数对m_instance 进行空判，但都未创建对象，那么都会去new Singleton。

2、多线程安全版本，但锁的代价过高，不适合高并发和高频率获取

class Singleton
{private:Singleton() = default;Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;~Singleton() = default;public:static Singleton* getInstance();private:static std::mutex m_mutexSingleton;static Singleton* m_instance;
};Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
std::mutex Singleton::m_mutexSingleton;Singleton* Singleton::getInstance()
{//std::lock_guard<std::mutex> guard(m_mutexSingleton);m_mutexSingleton.lock();if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}m_mutexSingleton.unlock();return m_instance;
}

为什么代价过高：多个线程，只要有一个线程走完锁的部分，就会new Singleton，完成“写”操作，那么后面所有线程都只有“读”操作，就不会存在线程安全问题。单例本身就只创建一个，而多次被读取，读的过程常锁带来性性能损失过大。

3、存在内存读写reorder不安全的双检查锁
除getInstance()函数和上一示例（2）不一样，其他部分都相同。

Singleton* Singleton::getInstance()
{if (m_instance == nullptr){//std::lock_guard<std::mutex> guard(m_mutexSingleton);m_mutexSingleton.lock();if (m_instance == nullptr){m_instance = new Singleton();}m_mutexSingleton.unlock();}return m_instance;
}

表面上看解决了上一版本中加锁导致的性能问题，看起来很完美，甚至被写入教科书，但是确实存在问题。reorder会导致双检查锁失效。“m_instance = new Singleton();”这段代码由于可以被某些编译器未知因素（操作系统、硬件、其他线程等）被编译器优化。实现可能有两种情况：1、先分配内存，再调用构造去初始化这块内存，最后将m_instance指针指向这块内存；2、先分配内存，再将m_instance指针指向这这段内存，最后调用构造去初始化这块内存。reorder就是是指1和2两种不定的情况。如果是情况1是双检查锁是没有问题；但是出现情况2就会出现第一个进程走到只对m_instance分配内存并将指针指向该内存，但还未构造初始化该内存，后面的线程此时如果走到第一个检查的空判，就会返回指向未经过构造的m_instance指针。此时reorder就会导致双检查锁失效。
【备注】有的编程语言不会出现情况2，也有的非标C++有关键字(volatile)声明来处理reorder，const和指针都可以是volatile。

4、利用std::once_flag类和std::call_once函数保证创建单例只执行一次，而每次获取单例对:call_once判断。
极力推荐使用该方法

class Singleton
{private:Singleton() = default;Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;~Singleton() = default;class CSingleton{public:~CSingleton(){if (Singleton::m_instance){delete Singleton::m_instance;Singleton::m_instance = nullptr;}}};static void CreateInstance(){std::cout << "首次执行CreateInstance!\n";static CSingleton CS;m_instance = new Singleton();}
private:static Singleton* m_instance;static std::once_flag m_flag;
public:static Singleton* getInstance(){std::call_once(m_flag, CreateInstance);return m_instance;}
};
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::m_flag{};

5、C++11版本之后跨平台实现

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::memory_order_acquire);//获取内存fenceif (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fencem_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);}}return tmp;
}

6、细心的会发现除4中其他的饿汉模式有new，但是没有delete，交给系统回收这段内存了，并不会产生什么问题。
通过代码回收的方式如下(未考虑多线程)。
在构造函数内创建类内静态对象CS,程序退出回收静态对象CS,利用CS的析构来释放单例。

class Singleton
{private:class CSingleton{public:~CSingleton(){if (Singleton::m_instance){delete Singleton::m_instance;Singleton::m_instance = nullptr;}}};
...
public:static Singleton* getInstance(){static CSingleton CS;return m_instance;}
};

四、总结

1、只能生成一个实例的类，实现了Singleton（单例）模式的类型。
2、条件1中具体要求表现为构造函数和析构函数私有，不允许有拷贝构造和拷贝函数。
3、由静态成员函数获取Singleton（单例）对象。
4、多线程安全。
5、若为饿汉式，创建单例对象后，不存在线程安全问题，考虑的性能问题。
6、reorder问题会导致经典双检查锁C++实现失效。

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