C++ 单例模式

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1. 什么是单例模式

单例模式(Singleton Pattern，也称为单件模式)，使用最广泛的设计模式之一。其意图是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，该实例被所有程序模块共享。

定义一个单例类：

私有化它的构造函数，以防止外界创建单例类的对象；
使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例；
使用一个公有的静态方法获取该实例。

2. 懒汉版（Lazy Singleton）

教学版，即懒汉版（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。

// version 1.0
class Singleton
private:
	static Singleton* instance;
private:
	Singleton() {};
	~Singleton() {};
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
	static Singleton* getInstance() 
		if(instance == NULL) 
			instance = new Singleton();
		return instance;
// init static member
Singleton* Singleton::instance = NULL;

问题1： Lazy Singleton存在内存泄露的问题，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。

在单例类内再定义一个嵌套类，总是感觉很麻烦。

问题2： 这个代码在单线程环境下是正确无误的，但是当拿到多线程环境下时这份代码就会出现race condition，注意version 1.0与version 1.1都不是线程安全的。要使其线程安全，能在多线程环境下实现单例模式，我们首先想到的是利用同步机制来正确的保护我们的shared data。可以使用双检测锁模式（DCL: Double-Checked Locking Pattern）：

static Singleton* getInstance() {
	if(instance == NULL) {
		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
        if(instance == NULL) {
        	instance = new Singleton();
	return instance;
}

注意，线程安全问题仅出现在第一次初始化（new）过程中，而在后面获取该实例的时候并不会遇到，也就没有必要再使用lock。双检测锁很好地解决了这个问题，它通过加锁前检测是否已经初始化，避免了每次获取实例时都要首先获取锁资源。

加入DCL后，其实还是有问题的，关于memory model。在某些内存模型中（虽然不常见）或者是由于编译器的优化以及运行时优化等等原因，使得instance虽然已经不是nullptr但是其所指对象还没有完成构造，这种情况下，另一个线程如果调用getInstance()就有可能使用到一个不完全初始化的对象。换句话说，就是代码中第2行：if(instance == NULL)和第六行instance = new Singleton();没有正确的同步，在某种情况下会出现new返回了地址赋值给instance变量而Singleton此时还没有构造完全，当另一个线程随后运行到第2行时将不会进入if从而返回了不完全的实例对象给用户使用，造成了严重的错误。在C++11没有出来的时候，只能靠插入两个memory barrier（内存屏障）来解决这个错误，但是C++11引进了memory model，提供了Atomic实现内存的同步访问，即不同线程总是获取对象修改前或修改后的值，无法在对象修改期间获得该对象。

因此，在有了C++11后就可以正确的跨平台的实现DCL模式了，利用atomic，代码如下：

atomic<Widget*> Widget::pInstance{ nullptr };
Widget* Widget::Instance() {
    if (pInstance == nullptr) { 
        lock_guard<mutex> lock{ mutW }; 
        if (pInstance == nullptr) { 
            pInstance = new Widget(); 
    return pInstance;
}

C++11中的atomic类的默认memory_order_seq_cst保证了3、6行代码的正确同步，由于上面的atomic需要一些性能上的损失，因此我们可以写一个优化的版本：

atomic<Widget*> Widget::pInstance{ nullptr };
Widget* Widget::Instance() {
    Widget* p = pInstance;
    if (p == nullptr) { 
        lock_guard<mutex> lock{ mutW }; 
        if ((p = pInstance) == nullptr) { 
            pInstance = p = new Widget(); 
    return p;
}

Best of All:

C++11规定了local static在多线程条件下的初始化行为，要求编译器保证了内部静态变量的线程安全性。在C++11标准下，《Effective C++》提出了一种更优雅的单例模式实现，使用函数内的 local static 对象。这样，只有当第一次访问 getInstance() 方法时才创建实例。这种方法也被称为Meyers' Singleton。C++0x之后该实现是线程安全的，C++0x之前仍需加锁。

// version 1.2
class Singleton
private:
	Singleton() { };
	~Singleton() { };
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
	static Singleton& getInstance() 
		static Singleton instance;
		return instance;
};

3. 饿汉版（Eager Singleton）

饿汉版（Eager Singleton）：指单例实例在程序运行时被立即执行初始化

// version 1.3
class Singleton
private:
	static Singleton instance;
private:
	Singleton();
	~Singleton();
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
	static Singleton& getInstance() {