设计模式13-单件模式

郑同学zxc2024-07-24 21:25

设计模式13-单件模式

写在前面

对象性能模式

  • 面向对象很好的解决了抽象的问题，但是必不可免的要付出一定的代价（类空间的重复分配等）。对于通常情况来讲，面向对象的成本大多都可以忽略不计。但某些情况面向对象所在的成本必须谨慎处理。
  • 设计模式中的对象性能模式是指那些专注于提高系统性能、优化资源使用和管理的设计模式。这些模式通过有效的对象创建、共享、复用和管理策略，减少内存占用、提高运行效率，从而提升整体系统性能。

典型模式

  • 单例模式（Singleton Pattern）
  • 享元模式（Flyweight Pattern）
    当然也有一些其他的模式。

设计模式中涉及对象性能优化的模式主要包括以下几种

1. 单例模式（Singleton Pattern）

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。这种模式避免了重复创建对象的开销，特别是在需要频繁访问的场景中，如配置类、日志类等。

2. 享元模式（Flyweight Pattern）

享元模式通过共享对象来减少内存使用。它特别适用于有大量相似对象的场景，例如字符处理、图形绘制等。

3. 原型模式（Prototype Pattern）

原型模式通过复制现有对象来创建新对象，从而减少了创建新对象的开销。这种模式适用于创建代价高昂的对象，如大型数据结构、复杂对象等。

4. 对象池模式（Object Pool Pattern）

对象池模式维护一个对象池，复用池中的对象而不是每次都创建和销毁对象。它适用于对象创建和销毁成本较高的情况，如数据库连接、线程等。

5. 延迟初始化（Lazy Initialization）

延迟初始化是指对象的创建或初始化在其实际被使用时才进行。这可以减少程序启动时的资源占用，并将资源分配推迟到实际需要时。

6. 虚拟代理（Virtual Proxy）

虚拟代理是一种代理模式，通过代理对象来控制对实际对象的访问。虚拟代理可以延迟实际对象的创建或初始化，从而优化性能。例如，大型图片的加载可以通过虚拟代理延迟到实际需要时再进行。

7. 缓存（Caching）

缓存模式通过存储之前计算或创建的结果来减少重复计算或创建的开销。这种模式广泛应用于各种性能优化场景，如数据库查询结果缓存、计算结果缓存等。

8. 数据传输对象（DTO，Data Transfer Object）

DTO模式通过一次性传输批量数据来减少多次远程调用的开销。它适用于分布式系统中，通过减少网络通信次数来提高性能。

动机

在软件系统中经常有这样一些特殊的类必须保证他们在系统中只存在一个实例。才能保证他们的逻辑的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呢？让使用者只需使用一个类？这显然不合理。因为这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。模式就是为了解决这一类问题的模式。

more动机：

  • 在许多应用中，有一些对象需要全局唯一，比如配置文件管理器、日志管理器等。为了确保这些对象在整个应用中只存在一个实例，并且能被全局访问，我们需要一种机制来限制实例化次数并提供统一的访问方式。
  • 单例模式的主要动机是控制对象的实例化过程，确保一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点

单例模式的定义与结构

定义

保证一个类仅有一个实力，并提供一个该实例的全局访问点。

结构：

  1. Singleton类：
    • 定义一个静态变量来保存类的唯一实例。
    • 提供一个静态方法用于创建或获取该实例。
    • 将构造函数设为私有，防止外部通过new操作符实例化该类。

以下是单例模式的UML图：

单例模式的代码推导

cpp 复制代码 
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;
}


//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;
}



//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;
}




//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;
}

这段代码展示了不同版本的单例模式的实现，包括线程不安全版本、线程安全但性能不佳的版本、双检查锁版本以及C++11之后的跨平台实现。以下是对每个版本的详细说明：

##1. 线程不安全版本

cpp 复制代码 
class Singleton{
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);
public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};

Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

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

说明：

  • 这个版本中，getInstance方法检查m_instance是否为空，如果为空则创建一个新的Singleton实例。
  • 这种实现方式在单线程环境中是安全的，但在多线程环境中可能导致多个线程同时创建多个实例，违背单例模式的初衷。

2. 线程安全版本，但锁的代价过高

cpp 复制代码 
Singleton* Singleton::getInstance() {
    Lock lock;
    if (m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}

说明：

  • 这个版本使用了锁（例如std::mutex）来确保线程安全。
  • 虽然保证了线程安全，但每次调用getInstance方法都需要获取锁，代价较高，可能影响性能。

3. 双检查锁，但由于内存读写reorder不安全

cpp 复制代码 
Singleton* Singleton::getInstance() {
    if (m_instance == nullptr) {
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    return m_instance;
}

说明：

  • 双检查锁的目的是在进入锁之前先检查m_instance是否为空，以减少获取锁的次数，提高性能。
  • 但是，由于编译器和CPU可能对内存读写操作进行重新排序，这种实现方式可能不安全。因为在所有编译器中会对代码进行优化处理，对于new Singleton操作在某些情况下可能会先返回分配空间的指针，后调用构造函数，那么此时第二个线程可能在进行第一个实例判空判断时直接返回指针，但此时这个指针是不可用的，也就是说线程可能看到未完全构造的对象。

4. C++11版本之后的跨平台实现（volatile）

cpp 复制代码 
#include <atomic>
#include <mutex>

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

std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance{nullptr};
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;
}

说明：

  • 使用了std::atomic和std::mutex来实现线程安全的单例模式。
  • 通过std::atomic_thread_fence确保内存读写操作的顺序性，防止重排序问题。
  • 在获取锁之前，先尝试加载m_instance，并使用内存屏障（fence）确保正确的内存顺序。
  • 获取锁后再次检查m_instance，如果仍为空则创建实例并存储到m_instance中。

volatile关键字

volatile 关键字在 C++ 中的使用是为了告知编译器该变量可能会被异步地修改（例如，由硬件或其他线程），因此每次访问该变量时都需要重新读取，而不是使用缓存值。

然而，volatile 并不是用于实现线程安全的同步机制。在多线程编程中，volatile 不能保证变量访问的原子性或防止数据竞争。因此，对于跨平台的多线程编程，volatile 并不是一个可靠的选择。

平台限制和使用场景

  1. 硬件访问 ：volatile 常用于访问硬件寄存器或与中断服务例程（ISR）共享的数据。在这些场景中，使用volatile是合适的，因为它能够防止编译器优化掉对这些变量的访问。

  2. 信号处理 ：在处理异步信号时，可以使用volatile变量标记信号状态。

多线程编程中的问题

在多线程编程中，volatile 并不能保证以下内容：

  1. 原子性 ：访问volatile变量的操作可能不是原子的。多个线程同时读取和写入volatile变量时，可能会出现竞态条件。
  2. 顺序性 ：volatile 不能防止编译器、CPU 或内存系统对读写操作进行重新排序。因此，多个线程之间的操作顺序可能会混乱。
  3. 可见性 ：虽然volatile保证变量的最新值总是被读取，但它不能保证一个线程对变量的修改立即对其他线程可见。

推荐的跨平台多线程同步机制

为了实现跨平台的线程安全，应使用 C++11 及以后的标准库提供的原子操作和同步机制：

  1. std::atomic：提供原子操作，确保变量访问的原子性和线程之间的可见性。
  2. 内存顺序（Memory Order） ：C++11 标准引入了内存模型，通过std::memory_order枚举类型定义内存顺序，以控制内存操作的排序。
  3. 锁（Locks） ：使用std::mutex和std::lock_guard实现互斥锁，以保护共享数据。
  4. 条件变量（Condition Variables） ：使用std::condition_variable实现线程间的同步和通信。
    代码同上

总结

  • 线程不安全版本：简单但在多线程环境下不安全。
  • 线程安全版本（锁代价高）：线程安全但性能较差，因为每次获取实例都需要获取锁。
  • 双检查锁版本：优化了性能，但存在内存重排序的问题。
  • C++11版本 ：使用std::atomic和内存屏障，解决了内存重排序的问题，是跨平台的线程安全实现。

通过这些不同版本的实现，我们可以看到单例模式在实际应用中的演变和优化，特别是针对线程安全和性能的考虑。

单例模式的应用

应用：

  • 配置管理： 需要在应用程序中全局共享配置实例。
  • 日志记录： 保证日志记录器实例在整个应用程序中唯一，统一管理日志记录。
  • 数据库连接池： 控制数据库连接池实例的唯一性，方便管理连接。
  • 线程池： 确保线程池实例的唯一性和复用。

单例模式的特点总结

特点总结：

  1. 唯一实例： 确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。
  2. 控制实例化： 通过私有构造函数和静态方法，控制对象的创建和获取。
  3. 延迟实例化： 在需要时才创建实例（懒加载），避免不必要的资源浪费。
  4. 线程安全： 需要特别注意多线程环境下的安全问题，可以通过双重检查锁（Double-Checked Locking）或静态内部类等方式实现线程安全。
  5. 全局访问： 提供一种全局访问点，使得可以方便地访问唯一实例。

单例模式是一种非常常用的设计模式，它在需要全局唯一实例的场景下非常有用。然而，使用单例模式时要注意可能带来的全局状态和并发问题，合理设计和实现才能确保系统的高效和稳定。

补充一个单例模式的实现

有两种单例模式实现的主要区别在于线程安全机制的实现方式和具体细节。以下是对这两种实现的详细比较：

实现方式

1. 第一种单例模式（使用 std::atomic 和 std::mutex）
cpp 复制代码 
class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton& other) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& other) = delete;

public:
    static Singleton* getInstance();
    static std::atomic<Singleton*> m_instance;
    static std::mutex m_mutex;
};

std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance{nullptr};
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);
    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);
            m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
        }
    }
    return tmp;
}

特点：

  1. 使用 std::atomic 来存储单例实例，确保对实例的访问是原子操作。
  2. 使用内存屏障（memory fences）来确保内存操作的顺序。
  3. 双重检查锁定（Double-checked locking）机制，通过 std::mutex 确保在实例创建过程中只有一个线程进入临界区。
2. 第二种单例模式（使用 std::call_once）
cpp 复制代码 
class CCalibrationJsonCoinfig {
private:
    static CCalibrationJsonCoinfig* instance;
    CCalibrationJsonCoinfig() {
    }
    ~CCalibrationJsonCoinfig() {}

public:
    static CCalibrationJsonCoinfig* getInstance() {
        std::call_once(flag, &CCalibrationJsonCoinfig::initInstance);
        return instance;
    }

private:
    static void initInstance() {
        instance = new CCalibrationJsonCoinfig();
    }
    static std::once_flag flag;
};

CCalibrationJsonCoinfig* CCalibrationJsonCoinfig::instance = nullptr;
std::once_flag CCalibrationJsonCoinfig::flag;

特点：

  1. 使用 std::call_once 和 std::once_flag 确保实例初始化函数只被调用一次，避免多线程环境下的重复初始化。
  2. 初始化逻辑更加简洁，利用 std::call_once 实现线程安全的单例模式。

比较

  1. 线程安全机制：

    • 第一种方法：使用 std::atomic 和 std::mutex 实现双重检查锁定（Double-checked locking），需要手动管理锁和内存屏障，代码复杂度较高。
    • 第二种方法：使用 std::call_once 和 std::once_flag 实现，标准库提供的简洁接口，避免了手动管理锁和内存屏障，代码简洁。

  2. 性能：

    • 第一种方法：在高并发环境下，由于使用了双重检查锁定，只有在实例尚未初始化时会加锁，之后获取实例的性能较高。
    • 第二种方法：std::call_once 只在初始化时会有性能开销，之后获取实例的性能也较高。

  3. 代码简洁性：

    • 第一种方法：代码较为复杂，需要理解和正确使用内存屏障和双重检查锁定。
    • 第二种方法：代码相对简洁，利用 std::call_once 提供的标准库特性，减少了代码复杂度。

总结

  • 推荐使用 std::call_once 和 std::once_flag 的方式（第二种方法）：这种方式更为简洁和安全，避免了手动管理锁和内存屏障的复杂性。标准库提供的接口已经优化了线程安全初始化的性能。
  • 在特殊情况下使用第一种方法：如果你对性能有极高的要求，或者在特定的硬件环境下需要手动优化，可以考虑使用第一种方法，但需要非常小心地处理内存屏障和线程同步问题。
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