设计模式：单例模式

C++设计模式之单例模式

0.导语

相信大家面试都逃不开设计模式话题，本节将阐述面试中的最常用的设计模式(单例模式)，从分类，线程安全，不基于C++11标准的角度与基于C++11标准的角度，有哪些解决线程安全的单例模式方案，相信认真看完本篇文章，在以后面试中就不用担忧了。

1.众所周知的单例

在一般书籍中或者大家比较是熟知的单例模式是下面这样：

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
public:
    static singleton *instance();
};

singleton *singleton::p = nullptr;

singleton* singleton::instance() {
    if (p == nullptr)
        p = new singleton();
    return p;
}

这是一个非常简单的实现，将构造函数声明为private或protect防止被外部函数实例化，内部有一个静态的类指针保存唯一的实例，实例的实现由一个public方法来实现，该方法返回该类的唯一实例。

当然这个代码只适合在单线程下，当多线程时，是不安全的。考虑两个线程同时首次调用instance方法且同时检测到p是nullptr，则两个线程会同时构造一个实例给p，这将违反了单例的准则。

2.懒汉与饿汉

单例分为两种实现方法：

• 懒汉
  • 第一次用到类实例的时候才会去实例化，上述就是懒汉实现。
• 饿汉
  • 单例类定义的时候就进行了实例化。

这里也给出饿汉的实现：

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
public:
    static singleton *instance();
};

singleton *singleton::p = new singleton();
singleton* singleton::instance() {
    return p;
}

当然这个是线程安全的，对于我们通常阐述的线程不安全，为懒汉模式，下面会阐述懒汉模式的线程安全代码优化。

3.多线程加锁

在C++中加锁有个类实现原理采用RAII，不用手动管理unlock，那就是lock_guard，这里采用其进行加锁。

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
    static mutex lock_;
public:
    static singleton *instance();
};

singleton *singleton::p = nullptr;

singleton* singleton::instance() {
    lock_guard<mutex> guard(lock_);
    if (p == nullptr)
        p = new singleton();
    return p;
}

这种写法不会出现上面两个线程都执行到p=nullptr里面的情况，当线程A在执行p = new Singleton()的时候，线程B如果调用了instance()，一定会被阻塞在加锁处，等待线程A执行结束后释放这个锁。从而是线程安全的。

但是这种写法性能非常低下，因为每次调用instance()都会加锁释放锁，而这个步骤只有在第一次new Singleton()才是有必要的，只要p被创建出来了，不管多少线程同时访问，使用if (p == nullptr) 进行判断都是足够的（只是读操作，不需要加锁），没有线程安全问题，加了锁之后反而存在性能问题。

因此引出DCL。

4.双重检查锁模式

上面写法是不管任何情况都会去加锁，然后释放锁，而对于读操作是不存在线程安全的，故只需要在第一次实例创建的时候加锁，以后不需要。下面先看一下DCLP的实现：

singleton* singleton::instance() {
	if(p == nullptr) {  // 第一次检查
		Lock lock;
		if(p == nullptr){ // 第二次检查
			p = new singleton;
		}
	}
	return p;
}