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单例模式 Singleton

“对象性能”模式

  • 面向对象很好地解决了“抽象”的问题,但是必不可免地要付出一定的代价。对于通常情况来讲,面向对象的成本大都可以忽略不计。但是某些情况,面向对象所带来的成本必须谨慎处理。
  • 典型模式
  1. Singleton
  2. Flyweight

动机(Motivation)

  • 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,才能确保它们的逻辑正确性、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?
  • 这应该是类设计者的责任,而不是使用者的责任。

非线程安全

#include<iostream>
using namespace std;


class Singleton {
private: // 私有的构造函数,拷贝构造函数,禁止它拷贝和构造。
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;
}

int main()
{
Singleton * obj1 = Singleton::getInstance();
Singleton * obj2 = Singleton::getInstance();
if (obj1 == obj2) {
cout << "相同对象" << endl;
}

getchar();
return 0;
}

输出:

相同对象

线程安全(带锁)

#include<iostream>
#include < mutex>
using namespace std;

class Singleton {
private:
Singleton() {};
Singleton(const Singleton& other) {};
//static unique_lock<mutex>
static mutex *m_mutex;
public:
static Singleton* getInstance();
static Singleton* m_instance;
};

Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
mutex* Singleton::m_mutex = new mutex;

////线程非安全版本
//Singleton* Singleton::getInstance() {
// if (m_instance == nullptr) {
// m_instance = new Singleton();
// }
// return m_instance;
//}

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

int main()
{
Singleton * obj1 = Singleton::getInstance();
Singleton * obj2 = Singleton::getInstance();
if (obj1 == obj2) {
cout << "相同对象:" << obj1 << endl;
}

getchar();
return 0;
}

输出:

相同对象:00DF5AB0

当已经实例化不是null以后,这个锁就没有必要了,代价太大。读变量不需要加锁,没有问题,写才有问题。高并发的情况下消耗太大。

双检查锁(其实是有问题的):

//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;
}

双检查锁假设顺序是:分配内存 -> 执行构造器 -> 返回指针。而实际的指令层的顺序有可能被编译器优化了,变成:分配内存 -> 返回指针 -> 执行构造器 。这样双检查锁就有可能会有问题,在还没执行构造器的时候,返回出去了,这时候的指针是不能用的。

跨平台线程安全

#include<iostream>
#include <mutex>
#include <atomic>
using namespace std;

class Singleton {
private:
Singleton() {};
Singleton(const Singleton& other) {};
static mutex m_mutex;
static atomic<Singleton*> m_instance;
public:
static Singleton* getInstance();
};

//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;
}

int main()
{
Singleton * obj1 = Singleton::getInstance();
Singleton * obj2 = Singleton::getInstance();
if (obj1 == obj2) {
cout << "相同对象:" << obj1 << endl;
}

getchar();
return 0;
}

输出:

相同对象:00989FB8

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。——《设计模式》GoF

要点总结

  • 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。
  • 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。


参考:GeekBand



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