23种设计模式(十一)对象性能之单件模式

本系列所有文章来自李建忠老师的设计模式笔记，系列如下：
设计模式(一)面向对象设计原则
23种设计模式(二)组件协作之模板方法
23种设计模式(三)组件协作之策略模式
23种设计模式(四)组件协作之观察者模式
23种设计模式(五)单一职责之装饰模式
23种设计模式(六)单一职责之桥模式
23种设计模式(七)对象创建之工厂方法
23种设计模式(八)对象创建之抽象工厂
23种设计模式(九)对象创建之原型模式
23种设计模式(十)对象创建之构建器
23种设计模式(十一)对象性能之单件模式
23种设计模式(十二)对象性能之享元模式
23种设计模式(十三)接口隔离之门面模式
23种设计模式(十四)接口隔离之代理模式
23种设计模式(十五)接口隔离之适配器
23种设计模式(十六)接口隔离之中介者
23种设计模式(十七)状态变化之状态模式
23种设计模式(十八)状态变化之备忘录
23种设计模式(十九)数据结构之组合模式
23种设计模式(二十)数据结构之迭代器
23种设计模式(二十一)数据结构之职责链
23种设计模式(二十二)行为变化之命令模式
23种设计模式(二十三)行为变化之访问器
23种设计模式(二十四)领域规则之解析器

文章目录

动机
模式定义
要点总结

之前所述的方法都是在通过抽象的设计来实现松耦合的设计。面向对象很好地解决了“抽象”的问题，但是不可避免地要付出一定的代价。比如抽象里面有虚函数和继承，虚函数带来的内存的消耗还是比较多的。

对于通常情况来讲，这些消耗都可以忽略不计，但是在某些情况下，面向对象所带来的成本必须谨慎处理。

动机

在软件系统中，经常有这样一些特殊类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保他们的逻辑正确性，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？

Singleton.cpp

class Singleton{private:Singleton();Singleton(const Singleton& other);
public:static Singleton* getInstance();static Singleton* m_instance;
};Singleton* Singleton::m_instance=nullptr;//线程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() {if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}return m_instance;
}

上述这种实现在多线程的情况下并不安全。解决这种情况可以加锁，但是锁的代价太大，因为每次访问都会被锁。

//线程安全版本，但锁的代价过高
Singleton* Singleton::getInstance() {Lock lock;if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}return m_instance;
}

加双检查锁(锁前锁后双检查)就可以避免上述这个问题：

//双检查锁，但由于内存读写reorder不安全
Singleton* Singleton::getInstance() {if(m_instance==nullptr){Lock lock;if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}}return m_instance;
}

上述这种实现仍然会存在一些问题。线程是在指令层次抢时间片，也就是m_instance = new Singleton();这一行代码可能会先分配内存，然后把内存地址给m_instance，然后再执行构造器。这样的话就会存在问题，当线程1还没有执行构造函数，但是已经有了地址m_instance之后，另外一个线程进来发现m_instance不是nullptr就直接返回了这个地址。但是这个地址是不能用的，因为还没有调用构造器。

解决办法：

//C++ 11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::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;
}

模式定义

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。

要点总结

Singleton模式中的实力构造器可以设置为protected以允许子类派生。

Singleton模式一般不要支持拷贝构造函数和Clone接口，因为这有可能导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷违背。