设计模式-Singleton

动机

• 在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能保证它们的逻辑正确性、以及良好的效率。
• 如果绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例。
• 这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。

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。

实现

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class Singleton{
public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    static Singleton* getInstance();
private:
    static Singleton* m_instance;
    Singleton() = delete;
}

Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

Singleton* Singleton::getInstance() {
    if(m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    retrun m_instance;
}

第一个注意的问题

• 不能让使用者获取到可以直接创建对象的构造函数，如默认构造函数、拷贝构造函数等
• 需要将他们设置为私有或delete

第二个注意的问题

• 上述版本中getInstance是一个线程不安全的版本，在多线程环境中使用时需要进一步改进

改进一：锁保护

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Singleton* Singleton::getInstance() {
    Lock lock;
    if(m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    retrun m_instance;
}

• 这个版本通过锁对m_instance进行了保护，是一个线程安全的版本
• 但是锁其实仅在第一次创建对象时才会起到真实的保护作用，后续锁就会影响性能
• 根源是因为锁不紧用在了变量写操作，同时作用到了变量读操作，产生了性能消耗

改进二：双检查锁

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Singleton* Singleton::getInstance() {
    if(m_instance == nullptr) {
        Lock lock;
        if(m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    retrun m_instance;
}

• 这个版本仅在第一次创建对象时锁才会起作用，后续就不会占用资源，从而避免锁的性能消耗
• 但是这个版本有一个隐藏很深的bug：由于内存读写reorder导致的锁失效问题
• 内存读写reorder
  • 多线程是在指令层级抢占cpu时间片的
  • 编译器对代码指令级的优化导致实际执行顺序可能发生改变
  • 在这个例子中m_instance = new Singleton();指令可能分为三个步骤：分配内存、调用构造器、返回内存地址
  • 实际编译器优化后顺序可能为：分配内存、返回内存地址、调用构造器
  • 如果执行到第二个步骤后，另一个线程调用getInstance()就会拿到一个未执行构造的对象指针，引发bug

改进三：规避reorder问题

• 编译器的支持：关键字volatile声明变量m_instance()即可
• 跨平台支持(c++11)

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  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fence 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);//释放内存fence m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed); } } return tmp; }

总结

• Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生。
• Singleton模式一般不需要支持拷贝构造函数和clone接口，因为这可能导致多个对象实例，违背初衷。
• 如何实现多线程环境下安全的Singleton？注意对双检查锁的正确实现。