C++ 單例模式

前言

我們在寫程序時，經(jīng)常需要實現(xiàn)某一個類對象能夠全局訪問心赶，但又需要保證其唯一的設(shè)計严沥。這就需要使用常說的單例模式來實現(xiàn)。

實現(xiàn)

《設(shè)計模式》書中給出了一種實現(xiàn)方式拷沸，即定義一個單例類色查，使用類的私有靜態(tài)指針變量指向類的唯一實例，并用一個公有的靜態(tài)方法來獲取該實例堵漱。
根據(jù)書中的實現(xiàn)方式综慎，示例如下：

class CSingleton
{
private:
    CSingleton()   //將構(gòu)造函數(shù)設(shè)為私有
    static CSingleton *m_pInstance;  //私有靜態(tài)指針變量，指向唯一實例
public:
    static CSingleton* GetInstance()  //公有靜態(tài)方法勤庐，獲取該實例
    {
        if(m_pInstance == nullptr)  //判斷是否第一次調(diào)用
            m_pInstance = new CSingleton();
        return m_pInstance;
    }
};

因為類的構(gòu)造函數(shù)是私有的示惊，所以外部任何創(chuàng)建實例的嘗試都將失敗，訪問實例的唯一方法愉镰，即通過公有靜態(tài)方法GetInstance()米罚。GetInstance()返回的實例是當(dāng)這個函數(shù)首次被訪問時創(chuàng)建的。這就是常說的懶漢模式丈探。

以上的實現(xiàn)方式滿足了我們的需求录择，但是存在著諸多問題，比如：該實例如何刪除碗降？
我們可以在程序結(jié)束時調(diào)用GetInstance()并delete掉返回的實例指針隘竭。但是這樣的操作很容易出錯，因為我們很難保證在程序執(zhí)行的最后刪除讼渊；也不能保證刪除掉實例后动看，程序不再調(diào)用創(chuàng)建實例。

我們知道爪幻，系統(tǒng)會在程序結(jié)束后釋放所有全局變量并析構(gòu)所有類的靜態(tài)對象菱皆。利用這一個特性须误，我們可以在類中設(shè)計一個靜態(tài)成員變量，在其析構(gòu)函數(shù)中刪除唯一實例仇轻。在程序結(jié)束時京痢，系統(tǒng)將會調(diào)用這個靜態(tài)成員變量的析構(gòu)函數(shù)，從而幫助我們自動的刪除唯一實例篷店，且不會出現(xiàn)人為的意外失誤祭椰。如下面實例中的CGarbo類：

class CSingleton
{
//經(jīng)典單例(Singleton)設(shè)計模式，只創(chuàng)建一個對象疲陕，并且自動釋放
private:
    CSingleton(void)
    static CSingleton *m_pInstance;
    //其唯一作用就是在析構(gòu)函數(shù)中刪除CSingleton實例
    class CGarbo 
    {
    public:
        ~CGarbo()
        {
            if(CSingleton::m_pInstance) 
                delete CSingleton::m_pInstance;
        }
    };
    static CGarbo Garbo;  //程序結(jié)束時吭产，系統(tǒng)會調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)
public:
    static CSingleton * GetInstance()
    {
        if(m_pInstance == nullptr)
            m_pInstance = new CSingleton();
        return m_pInstance;
    }
};

以上的寫法，即滿足了全局訪問唯一實例鸭轮，也保證了在程序結(jié)束時，系統(tǒng)幫助我們選擇正確的釋放時機橄霉，不必我們關(guān)心此實例的釋放窃爷。但是依舊存在缺陷，因為此方式是線程不安全的姓蜂。在多線程中按厘，當(dāng)多個線程同時訪問時，會同時判斷實例未創(chuàng)建钱慢，從而創(chuàng)建出多個實例逮京，很明顯違背了我們實例唯一的需求。

不難想出束莫，此時可以使用線程鎖來保證線程的安全懒棉。如以下示例：

static CSingleton * GetInstance()
{
    Lock();  //可以使用臨界區(qū)CRITICAL_SECTION或者互斥量MUTEX來實現(xiàn)線程鎖
    if(m_pInstance == nullptr)
        m_pInstance = new CSingleton();
    UnLock();
    return m_pInstance;
}

上面的寫法依舊存在缺陷，因為當(dāng)某個線程要訪問時览绿，就立即上鎖策严，這樣導(dǎo)致了不必要的鎖的消耗。所以我們可以先判斷下實例是否存在饿敲，再進行是否上鎖的操作妻导。這就是所謂的雙檢查鎖(DCL)思想，即Double Checked Locking怀各。優(yōu)化的寫法如下實例：

static CSingleton * GetInstance()
{  
    if(m_pInstance == nullptr) {  
        Lock();
        if(m_pInstance == nullptr) {  
            m_pInstance = new CSingleton();  
        }  
        UnLock();  
    }  
    return m_pInstance ;  
}

此時一個完整的單例模式就實現(xiàn)了倔韭，但事實證明，此實現(xiàn)的寫法依舊存在著重大的問題瓢对，而問題就在于m_pInstance = new CSingleton;這一句寿酌，具體如下：

分析: m_pInstance = new CSingleton()這句話可以分成三個步驟來執(zhí)行:
1.分配了一個CSingleton類型對象所需要的內(nèi)存。
2.在分配的內(nèi)存處構(gòu)造CSingleton類型的對象沥曹。
3.把分配的內(nèi)存的地址賦給指針m_pInstance份名。

可能會認為這三個步驟是按順序執(zhí)行的,但實際上只能確定步驟 1 是最先執(zhí)行的,步驟2,3卻不一定碟联。
問題就出現(xiàn)在這。假如某個線程A在調(diào)用執(zhí)行m_pInstance = new CSingleton()的時候是按照1, 3, 2的順序的,
那么剛剛執(zhí)行完步驟3給singleton類型分配了內(nèi)存(此時m_ instance就不是nullptr了 )就切換到了線程B,
由于m_pInstance已經(jīng)不是nullptr了,所以線程B會直接執(zhí)行return m_ instance得到一個對象,而這個對象并沒有真正的被構(gòu)造! ! 
嚴重bug就這么發(fā)生了僵腺。

參考：https://segmentfault.com/a/1190000015950693

進一步探討

著名的《Effective C++》系列書籍的作者 Meyers 提出了C++ 11版本最簡潔的跨平臺方案鲤孵，即Meyers' Singleton
實現(xiàn)如下：

class CSingleton
{
private:
    CSingleton(void)
    
public:
    static CSingleton & getInstance()
    {
        static CSingleton m_pInstance;  //局部靜態(tài)變量
        return m_pInstance;
    }
};

這樣的寫法即簡潔又完美！需要注意的是此寫法需要支持C++11以上辰如、GCC4.0編譯器以上普监。

以上的所有內(nèi)容是本人的一些思考和領(lǐng)悟，如有不正確的地方琉兜，歡迎大佬指正凯正。

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