C++设计模式之单例模式

动机

在软件系统中，经常有一些特殊的类，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。

单例模式代码举例：把构造函数设置为private

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;
}

单例模式定义

保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

在单例模式中使用双检查锁(DCL，Double-Checked Locking)时，可能会遇到一些问题，特别是在多线程环境下。在C++11之前的版本中，由于缺少内存栅栏(memory barrier)的支持，可能导致DCL失效，从而造成线程安全性问题。

问题导致原因：

正确对象的创建过程是先调用构造对象，后进行内存分配，但是单例在进行创建对象时，在一些编译器和硬件架构中，对于指令的执行顺序可能会发生重排序，导致在实例化对象时，成员变量的内存分配可能在对象构造之前，从而使其他线程在获取到非空但尚未构造完全的对象。

在C++11及以后的版本中，引入了std::atomic等特性，可以更好地保证内存可见性和顺序性，从而避免了上述问题。因此，如果在C++11及以后的环境中，使用std::atomic可以解决DCL的一些问题。

cpp 复制代码

// Singleton.h
#pragma once

#include <atomic>
#include <mutex>

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例的静态方法
    static Singleton* Instance();

private:
    // 私有构造函数，确保单例不能通过其他方式实例化
    Singleton() {}

private:
    // 使用std::atomic提供的原子操作，确保多线程环境下的安全性
    static std::atomic<Singleton*> m_instance;
    
    // 用于保护实例化过程的互斥锁
    static std::mutex m_mutex;
};

// Singleton.cpp
#include "Singleton.h"

// 初始化静态成员变量
std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance(nullptr);
std::mutex Singleton::m_mutex;

Singleton* Singleton::Instance() {
    // 使用std::atomic加载实例，确保内存可见性
    Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);

    if (tmp == nullptr) {
        // 使用互斥锁保护实例化过程
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);

        if (tmp == nullptr) {
            // 实例化单例对象
            tmp = new Singleton;

            // 使用内存顺序和std::atomic_thread_fence确保内存可见性和顺序性
            std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
            
            // 存储单例对象的指针
            m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
        }
    }

    return tmp;
}

这里，使用std::atomic提供的内存顺序和std::atomic_thread_fence来保证正确的内存可见性和顺序性。在C++11及以后的环境中，这种方式是相对安全的。

使用atomic类可以确保在多线程环境下，对共享数据的操作不会导致数据的错误修改或不一致的状态。这对于编写线程安全的并发代码非常重要。