C++：谈谈单例模式的多种实现形式

单例模式：保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点。

• 稳定点：类只有一个实例，提供全局
• 变化点：有多个类都是单例，能否复用代码

实现 1：静态成员

• 构造函数和析构函数私有化
• 禁掉拷贝构造、拷贝赋值、移动构造、移动赋值
• 静态成员函数
• 静态私有成员

前两点针对唯一实例，后两点针对全局访问。

问题：当程序结束后，不会调用析构函数，堆上资源无法释放，内存泄漏。虽然程序结束后，堆上所有的数据被销毁，但是无法保存需要持久化的数据。

class Singleton {
public:// 静态成员函数：全局访问点static Singleton* getInstance() {if(nullptr == _pInstance) {_pInstance = new Singleton();}return _pInstance;}private:// 构造函数和析构函数私有化Singleton(); ~Singleton(); // 禁掉拷贝构造、拷贝赋值、移动构造、移动赋值Singleton(const Singleton &) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;Singleton(Singleton &&) = delete;Singleton& operator=(Singleton &&) = delete;private:// 静态成员：静态成员函数只能访问静态成员static Singleton* _pInstance;};// 静态成员需要初始化
Singleton* Singleton::_instance = nullptr; 

实现 2：atexit + 懒汉模式

atexit 函数：在进程结束后利用回调函数自动释放堆空间。

/* 
功能：注册给定函数，并在进程结束后调用该函数
参数：函数指针，指向被调用的函数(返回值、参数均为void) 
*/
#include <stdlib.h>
int atexit(void (*function)(void));

利用这一特性，在进程结束时 atexit 函数调用销毁函数，完成析构工作。

问题：atexit 函数本身安全，但是多线程环境下。存在线程安全问题。

static Singleton* getInstance() {if(nullptr == _pInstance) {// 问题：多个并发线程可能同时创建对象_pInstance = new Singleton();atexit(Singleton::Destructor);}return _pInstance;
}

为保证线程安全，需要加锁。对于加锁操作，只有第一次写操作创建对象的时候，需要加锁；其他时候都是读操作，没有必要加锁。因此这里在实现的时候可以采用双重检测 double check的技巧。

#include <stdlib.h>
class Singleton {
public:static Singleton* getInstance() {if(nullptr == _pInstance) {_pInstance = new Singleton();// 线程安全，双重检测：double check      if (nullptr == _pInstance) {std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);if (nullptr == _pInstance) {// 问题：多线程环境下，cpu reorder_pInstance = new Singleton();atexit(Singleton::Destructor);}}return _pInstance;// 注册回调函数，进程结束后，调用销毁函数atexit(Singleton::Destructor);}return _pInstance;}private:Singleton(); ~Singleton(); Singleton(const Singleton &) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;Singleton(Singleton &&) = delete;Singleton& operator=(Singleton &&) = delete;// 注册销毁函数为atexit的回调函数，用于在进程结束后释放堆空间static void Destructor() {if (nullptr != _instance) { delete _instance;_instance = nullptr;}}private:static Singleton* _pInstance;};Singleton* Singleton::_instance = nullptr; 

问题：new 操作符指令重排

C++ 98 表达单线程语义。而在多核多线程的情况下，若 cpu 指令重排，例如：对于 new 运算符的指令执行：分配内存、调用构造函数、返回指针。若发生 cpu 指令重排，会优化为分配内存、返回指针，却还没有调用构造函数初始化数据。此时，若有其他线程访问，可能造成程序的崩溃。

实现 3：原子变量 + 懒汉模式

C++ 11：多线程语义，cpu 指令重排，提供同步原语：原子变量、内存屏障等

原子变量解决

• 原子性问题
• 可见性问题：load 可以看见其他线程最新操作的数据， store 修改数据让其他线程可见
• 执行序问题：memory_order_acuire不能重排指令，memory_order_release松散指令，可以重排指令。

内存屏障（内存栅栏）解决

• 可见性问题
• 执行序问题

使用原子变量解决原子性、可见性、执行序

class Singleton {
public:static Singleton * GetInstance() {Singleton* tmp = _instance.load(std::memory_order_acquire);if (tmp == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);tmp = _instance.load(std::memory_order_acquire);if (tmp == nullptr) {tmp = new Singleton;_instance.store(tmp, memory_order_release);atexit(Destructor);}}return tmp;}
...static std::atomic<Singleton*> _instance;static std::mutex _mutex;
};
std::atomic<Singleton*> Singleton::_instance; // 静态成员需要初始化
std::mutex Singleton::_mutex; 			     // 互斥锁初始化 

改进：若构造函数中存在其他原子性操作，则可以使用松散的指令执行方式，提升运行速度。使用内存屏障，避免 tmp 指针在 new 操作未执行完就返回给用户。

• 原子变量解决：原子性、可见性
• 内存栅栏解决：执行序

class Singleton {
public:static Singleton * GetInstance() {Singleton* tmp = _instance.load(std::memory_order_relaxed);// 获取内存屏障std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);if (tmp == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);tmp = _instance.load(std::memory_order_relaxed);if (tmp == nullptr) {tmp = new Singleton;// 释放内存屏障std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);atexit(Destructor);}}return tmp;}...static std::atomic<Singleton*> _instance;static std::mutex _mutex;
};
std::atomic<Singleton*> Singleton::_instance; // 静态成员需要初始化
std::mutex Singleton::_mutex; 			     // 互斥锁初始化 

问题：代码复杂，书写困难。

实现4：atexit + 饿汉模式

懒汉模式是延迟加载，饿汉模式是提前加载。当系统开始运行，加载类的时候就初始化类实例，其他线程无法再创建实例，实现线程安全。

class Singleton {
public:static Singleton* Singleton::getInstance() {if(nullptr == _pInstance) {_pInstance = new Singleton();atexit(Singleton::Destructor);}return _pInstance;}   
...
};// 全局初始化，使其在进程创建之前就不为空，防止子进程创建对象
Singleton* Singleton::_instance = getInstance();

问题：无论是否需要该类实例，都必须提前创建。

* 实现5：magic static

源自：C++ effective，C++ 11 magic static 特性，参考官方文档：静态局部变量，推荐使用。

• 如果变量在初始化的时候，并发同时进入声明语句，并发线程会阻塞等待初始化结束。线程安全。
• 静态局部变量首次经过它的声明才会被初始化，在其后所有的调用中，声明都会被跳过。

因此，使用定义在栈上的局部静态变量保存单例对象，具备所有优点：

• 延迟加载
• 系统自动调用析构函数，回收内存
• 没有 new 操作带来的 cpu reorder 操作
• 线程安全

class Singleton {
public:static Singleton& GetInstance() {// magic static// 定义在栈上的局部静态变量，进程结束后自动释放static Singleton instance;return instance;}private:Singleton(); ~Singleton(); Singleton(const Singleton &) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;Singleton(Singleton &&) = delete;Singleton& operator=(Singleton &&) = delete;
};