【设计模式】单例模式的前世今生

文章目录

- 引言
- 简介
- 起航！向“确保某个类在系统中只有一个实例”进发 ⛵️
- - Lazy Singleton
  - Double-checked locking（DCL） Singleton
  - Volatile Singleton
  - Atomic Singleton
  - Meyers Singleton
- 附：C++静态对象的初始化

引言

说起单例模式，我想，即便屏幕前的你此前没有系统学习过设计模式，也应该听说过它的大名。

但是，这篇文章的重点不是去聊这个模式在实际生产过程中怎么用，而是想聊一下这个模式发展的历史。如果你的目的是想了解其具体用法，你可以在检索一下其他人写的总结，再往下看的话，可能不会有你想要的答案。

简介

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。

单例模式是一种设计模式，其核心目的是确保某个类在系统中只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个实例。

“确保某个类在系统中只有一个实例”——这个目的听起来似乎很简单，不要觉得荒谬，某些特定的情况下，我们的系统中确实只需要某个类的一个实例就可以了，这样既能满足实际使用场景，又能减少内存开销，避免资源的多重占用，提升性能。

倘若我们从这个目的出发——“确保某个类在系统中只有一个实例”，现在的任务就是：设计某种手段以达到我们的目的。

起航！向“确保某个类在系统中只有一个实例”进发 ⛵️

也许，刚看到这个目标的时候你会有点疑惑：这不是很简单吗？既然你想要确保系统中只有一个某个类的对象，那我就只创建一个对象不就好了吗？

听起来好像没错，但是“确保某个类在系统中只有一个实例”，这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。

现在，让我们从类设计者的角度重新审视这个问题。

我们知道，创建类的实例——这个动作是借由类的构造函数完成的，换句话说，我们可以确定问题的突破点是在构造函数身上。那么，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？

首先，我们先解决构造函数的权限问题。C++中的权限说起来一共有三种：public，protect，private。而无论对于用户还是派生类来讲，真正的权限事实上只有两种：

对于用户而言，public权限是可访问的，private权限和protect权限是不可访问的；
对于派生类而言，private是不可访问的，protect与public是可访问的；

而如果将这个类的构造函数用public去修饰，意味着用户可以随意创建对象，“创建对象”这个动作无法受到我们的管控，因此，如果想要限制用户“不那么自由”的创建实例，我们应当将构造函数声明为private：

class Singleton{
  private:
  	Singleton();//私有构造函数
  	static Singleton* m_instance;
  public:
  	static Singleton* getInstance();//全局访问点
}
Singleton* Singleton::m_instance = NULL;

Lazy Singleton

那么如何“确保某个类在系统中只有一个实例”？很容易想到：

1 Singleton* Singleton::getInstance(){
2  if(m_instance == nullptr){
3    	m_instance = new Singleton();
4  }
5  return m_instance;
6 }

懒汉版（Lazy Singleton）：单例实例在第一次被使用时才进行初始化，这叫做延迟初始化，也叫做懒加载。

Lazy Singleton存在内存泄露的问题，这里有两种解决方法：

使用智能指针
使用静态的嵌套类对象

对于第二种解决方法，代码如下：

// version 1.1
class Singleton
{
private:
    static Singleton* instance;
private:
    Singleton() { };
    ~Singleton() { };
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
private:
    class Deletor {
    public:
        ~Deletor() {
            if(Singleton::instance != NULL)
                delete Singleton::instance;
        }
    };
    static Deletor deletor;
public:
    static Singleton* getInstance() {
        if(instance == NULL) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

// init static member
Singleton* Singleton::instance = NULL;

在程序运行结束时，系统会调用静态成员deletor的析构函数，该析构函数会删除单例的唯一实例。使用这种方法释放单例对象有以下特征：

在单例类内部定义专有的嵌套类。
在单例类内定义私有的专门用于释放的静态成员。
利用程序在结束时析构全局变量的特性，选择最终的释放时机。

这是一个简单的实现版本，”有条件“ 的完成了我们的目标，因为这个版本只能针对于单线程下的程序，是个“线程非安全”版本，一旦线程数大于1，这个版本将不再起作用。

假设现在有两个线程：thread A与thread B。

thread A 执行完第2行，还没来得及执行第3行时，thread B 抢到了时间片，由于此时的m_instance仍为空，因此thread也能进入if分支，然后m_instance就被创建了两次。

有没有什么办法能够快速修复这个“bug“呢？

Double-checked locking（DCL） Singleton

很自然的，你会想到加锁：

1 Singleton* Singleton::getInstance(){
2  Lock lock；
3  if(m_instance == nullptr){
4    	m_instance = new Singleton();
5  }
6  return m_instance;
7 }

如你所愿，我们在这个版本里加了一个锁，再遇到上述场景时，由于thread A抢到了锁并且还没释放，因此，thread A能正常创建实例，并且当thread A出了函数体释放了锁之后，thread B 进入函数体，由于此时m_instance已经被创建，因此并不会被创建两次。

问题解决了吗？

按照上面的分析，好像是的。但是，你有没有注意到当实例已经被创建后的场景？

假设实例m_instance已经被创建，在之后的场景中，程序再次进入该函数时，都会先创建锁，然后判断m_instance是否为空，然后返回。每次进入函数体都会创建锁，但是这个锁只有第一次才有真正的作用，之后都是在浪费资源。

这个版本能够保证线程安全，但是锁的代价过高。

还有没有改进版本呢？

于是，双检查锁版本诞生了：

1 Singleton* Singleton::getInstance(){
2 if(m_instance == nullptr){
3  	Lock lock； 基于作用域的加锁，超出作用域，自动调用析构函数解锁
4  	if(m_instance == nullptr){
5    		m_instance = new Singleton();
6  	}
7 }
8  	return m_instance;
9 }

之前的版本是不管三七二十一，都加锁，现在的版本是进入函数体之后，先问一次m_instance是不是空，根据结果去决定是否加锁。规避了上一个版本锁的代价过高的问题。

有的小伙伴可能会在这里犯迷糊：认为第二个if分支没有必要，即可以删去第4行。

事实上，如果删去了第4行，那么情况就会变得跟第一个版本一模一样，只要线程能同时通过第2行的检查，那么这个实例就有被创建多次的可能。就算此时加了这个锁，无非也就是多等一会儿，没有其他作用。

这个版本看起来很完美，问题似乎已经被我们解决了！

但是我要告诉你，这个版本在很长一段时间内迷惑了很多人，包括一些专家都认为这个版本已经达到目标了。直到2000年左右，Java领域的某些研究者才发现有问题，而且很快在几乎所有的语言领域都发现这种实现有漏洞。由于内存读写reorder不安全，会导致双检查锁失效。

怎么样的一个失效问题呢？

让我们将目光聚焦到这行代码上：

m_instance = new Singleton();

这行代码最终会被编译器编译成一段指令序列，线程是在指令层次抢时间片的。但是这个指令有时候跟我们的假设不一样。

比如上面那行代码通常情况下到了指令层次之后，可以划分为三个动作：

分配一片内存；
在这片内存上执行初始化操作；
将得到的内存地址赋值给m_instance；

是这三个动作没错，但是到了指令层面之后，它们的顺序却可能由于编译器优化而被打乱成下面这样：

分配一片内存；
将最后得到的内存地址赋值给m_instance；
在这片内存上执行初始化操作；

看到了吗？第二步和第三步的顺序可能会被颠倒！

1 Singleton* Singleton::getInstance(){
2 if(m_instance == nullptr){
3  	Lock lock；
4  	if(m_instance == nullptr){
5    		m_instance = new Singleton();
6  	}
7 }
8  	return m_instance;
9 }

现在再次回到之前的场景，假设有两个thread，thread A执行第5步之后，由于编译器优化而执行了：

分配一片内存；
将最后得到的内存地址赋值给m_instance；

第三步还没来得及执行，时间片就被thread B抢走了，由于此时m_instance已经被赋予了地址，因此m_instance不再为空！当thread B再次进入函数体之后，由于第2步判断m_instance是否为空的结果为false，导致被直接返回。而事实上m_instance并没有完成初始化操作，此时还不能使用。

当这个问题被发现后，由于是编译器优化导致了此类问题的出现，于是人们敦促编译器厂商给出问题解决方案。

Volatile Singleton

反过来想想，编译器优化的目的是提升程序性能，只是不巧导致了这个问题的出现，如果为了一个单例模式的实现直接禁止这种优化，属实有点说不过去。这个时候java和C#就很聪明，在各自的语言中加了一个关键字：Volatile，其作用也很直截了当：禁止指令重排。

C++呢？Visual C++嫌标准委员会动作太慢，2005年左右，在自家编译器里也加入了volatile关键字，但是由于是个人行为，很显然不能跨平台。之后C++11正式将volatile作为关键字纳入标准：

class Singleton {  
public:  
    static Singleton* instance() {  
        if (pInstance == 0) {  
            Lock lock;  
            if (pInstance == 0) {  
                pInstance = new Singleton;  
            }  
        }  
        return pInstance;  
    }  
private:  
    static Singleton * volatile pInstance;  
    Singleton(){  
    }  
};

volatile这个关键字有两层语义：

第一层语义是可见性。可见性指的是在一个线程中对该变量的修改会马上由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以会马上反应在其它线程的读取操作中，即看到的都是最新的结果。

第二层语义是禁止指令重排序优化。我们写的代码（尤其是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能与我们编写的顺序不同。

Atomic Singleton

另外在C++11 将原子操作纳入了标准，我们可以通过标准提供的原子操作来处理该问题。

通过给原子变量设置 std::std::memory_order_xxx 来防止 CPU 的指令重排操作。

//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_relaced);//释放内存fence
			m_instance.store(tmp,std::memory_order_relaxed);
		}
	}
	return tmp;
}

Meyers Singleton

《Effective C++》的作者Meyer，在<<Effective C++>>3rd Item4中，提出了一种到目前为止最简洁高效的解决方案：

template<typename T>
class Singleton
{
public:
    static T& getInstance()
    {
        static T value;
        return value;
    }
 
private:
    Singleton();
    ~Singleton();
};

非常优雅的一种实现。

先说结论：

单线程下，正确。
C++11及以后的版本（如C++14）的多线程下，正确。
C++11之前的多线程下，不一定正确。

原因在于在C++11之前的标准中并没有规定local static变量的内存模型，所以很多编译器在实现local static变量的时候仅仅是进行了一次check（参考《深入探索C++对象模型》），于是getInstance函数被编译器改写成这样了：

bool initialized = false;
char value[sizeof(T)];
 
T& getInstance()
{
    if (!initialized)
    {
       initialized = true;
       new (value) T();
    }
    return *(reinterpret_cast<T*>(value));
}

于是乎它就是不是线程安全的了。

但是在C++11却是线程安全的，这是因为新的C++标准规定了当一个线程正在初始化一个变量的时候，其他线程必须得等到该初始化完成以后才能访问它。

附：C++静态对象的初始化

non-local static对象（函数外）

C++规定，non-local static 对象的初始化发生在main函数执行之前，也即main函数之前的单线程启动阶段，所以不存在线程安全问题。但C++没有规定多个non-local static 对象的初始化顺序，尤其是来自多个编译单元的non-local static对象，他们的初始化顺序是随机的。

local static 对象（函数内）

对于local static 对象，其初始化发生在控制流第一次执行到该对象的初始化语句时。多个线程的控制流可能同时到达其初始化语句。

在C++11之前，在多线程环境下local static对象的初始化并不是线程安全的。具体表现就是：如果一个线程正在执行local static对象的初始化语句但还没有完成初始化，此时若其它线程也执行到该语句，那么这个线程会认为自己是第一次执行该语句并进入该local static对象的构造函数中。这会造成这个local static对象的重复构造，进而产生内存泄露问题。所以，local static对象在多线程环境下的重复构造问题是需要解决的。

而C++11则在语言规范中解决了这个问题。C++11规定，在一个线程开始local static 对象的初始化后到完成初始化前，其他线程执行到这个local static对象的初始化语句就会等待，直到该local static 对象初始化完成。