Singleton(单例模式)

无夜_2024-10-09 19:01

1. 意图

在开发中，若某些模块或功能只需要一个类实例，所有调用地方通过着一个类对象访问功能，单例模式符合这种类实例创建模式，并且通过提供统一类实例接口访问类对象。

2. 适用性

《Gof 设计模式-可复用面向对象软件的基础》中对此模式的适用性描述如下：

  • 当类只能有一个实例且客户可以从一个公众的访问点访问。
  • 当这个唯一实例应该是通过子类化可拓展的，并且客户应该无需更改代码就能使用一个扩展的实例时。

3. 实现

  • 饿汉模式：类加载时，类对象创建并初始化，调用时直接使用已经创建好的。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

class Singleton {
public:
  static Singleton *GetInstance() { return m_instance; }

  void Print() { std::cout << __FUNCTION__ << std::endl; }

private:
  Singleton() = default;
  ~Singleton() = default;
  Singleton(const Singleton &) = delete;
  Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

private:
  static Singleton *m_instance;
};

Singleton *Singleton::m_instance = new Singleton;

void Test() { Singleton::GetInstance()->Print(); }

int main() {
  Test();
  return 0;
}
  • 懒汉模式：类对象创建与初始化被延迟到真正调用的位置。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

class Singleton {
public:
  static Singleton *GetInstance() {
    if (m_instance == nullptr)
      m_instance = new Singleton;
    return m_instance;
  }

  void Print() { std::cout << __FUNCTION__ << std::endl; }

private:
  Singleton() = default;
  ~Singleton() = default;
  Singleton(const Singleton &) = delete;
  Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

private:
  static Singleton *m_instance;
};

Singleton *Singleton::m_instance = nullptr;

void Test() { Singleton::GetInstance()->Print(); }

int main() {
  Test();
  return 0;
}

懒汉模式存在多线程并发问题，可以加锁，如下

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

std::mutex mtx;

class Singleton {
public:
  static Singleton *GetInstance() {
    std::lock_guard<std::mutex> locker(mtx);
    if (m_instance == nullptr)
      m_instance = new Singleton;
    return m_instance;
  }

  void Print() { std::cout << __FUNCTION__ << std::endl; }

private:
  Singleton() = default;
  ~Singleton() = default;
  Singleton(const Singleton &) = delete;
  Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

private:
  static Singleton *m_instance;
};

以上通过加锁保证了数据的并发安全，但若此对象创建好后多个线程频繁调用，每次都加锁访问可读对象，对程序性能影响较大，于是又出现了双层检查机制，优化访问性能。

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

std::mutex mtx;

class Singleton {
public:
  static Singleton *GetInstance() {
    if (m_instance == nullptr) {
      std::lock_guard<std::mutex> locker(mtx);
      if (m_instance == nullptr)
        m_instance = new Singleton;
    }
    return m_instance;
  }

  void Print() { std::cout << __FUNCTION__ << std::endl; }

private:
  Singleton() = default;
  ~Singleton() = default;
  Singleton(const Singleton &) = delete;
  Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

private:
  static Singleton *m_instance;
};

Singleton *Singleton::m_instance = nullptr;

void Test() { Singleton::GetInstance()->Print(); }

int main() {
  Test();
  return 0;
}

双重检查机制实际上还存在潜在的问题，内存访问重新排序（重新排列编译器产生的汇编指令）导致双重锁定失效（考虑类对象内存分配和调用构造函数初始化分为两步执行，指令不顺序执行就无法保证多线程有其它指令在这两步之间执行）。所以需要保证指令顺序执行，避免指令重排。

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

class Singleton {
public:
  static 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> locker(m_mtx);
      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 m_instance;
  }

  void Print() { std::cout << __FUNCTION__ << std::endl; }

private:
  Singleton() = default;
  ~Singleton() = default;
  Singleton(const Singleton &) = delete;
  Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

private:
  static std::atomic<Singleton *> m_instance;
  static std::mutex m_mtx;
};

std::atomic<Singleton *> Singleton::m_instance = nullptr;
std::mutex Singleton::m_mtx;

void Test() { Singleton::GetInstance()->Print(); }

int main() {
  Test();
  return 0;
}

以上使用原子变量及内存序约束实现单例类，避免指令重排问题，同时解决并发问题。但实现略微繁琐，c++11以后对静态变量创建的并发安全提供了保证，简化写法如下：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

class Singleton {
public:
  static Singleton &GetInstance() {
    static Singleton instance;
    return instance;
  }

  void Print() { std::cout << __FUNCTION__ << std::endl; }

private:
  Singleton() = default;
  ~Singleton() = default;
  Singleton(const Singleton &) = delete;
  Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;
};

void Test() { Singleton::GetInstance().Print(); }

int main() {
  Test();
  return 0;
}

4. 优缺点

  • 控制类实例数量
  • 比类操作更灵活，减少命名空间污染
  • 隐藏了类之间的依赖关系
  • 影响代码的扩展性
  • 影响代码的可测试性
  • 不支持包含参数的构造函数

5. 模板实现

  • 单实例管理
cpp 复制代码 
template <typename T> class SingletonManager {
public:
  template <typename... Args> static T &GetInstance(Args &&...args) {
    static T instance(std::forward<Args>(args)...);
    return instance;
  }

private:
  SingletonManager() = default;
  virtual ~SingletonManager() = default;
  SingletonManager(const SingletonManager &) = delete;
  SingletonManager &operator=(const SingletonManager &) = delete;
};
  • 多实例管理
cpp 复制代码 
#include <map>
#include <memory>
#include <string>

template <typename T, typename K = std::string> class MultitonManager {
public:
  template <typename... Args>
  static T &GetInstance(const K &key, Args &&...args) {
    return AssignInstance(key, std::forward<Args>(args)...);
  }

  template <typename... Args> static T &GetInstance(K &&key, Args &&...args) {
    return AssignInstance(key, std::forward<Args>(args)...);
  }

private:
  template <typename Key, typename... Args>
  static T &AssignInstance(Key &&key, Args &&...args) {
    auto iter = m_map.find(key);
    if (iter == m_map.end()) {
      static T instance;
      m_map.emplace(key, &instance);
      return instance;
    }
    return *(iter->second);
  }

private:
  MultitonManager() = default;
  virtual ~MultitonManager() = default;
  MultitonManager(const MultitonManager &) = delete;
  MultitonManager &operator=(const MultitonManager &) = delete;

private:
  static std::map<K, T *> m_map;
};

template <typename T, typename K> std::map<K, T *> MultitonManager<T, K>::m_map;
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