1.动机

• 在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，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
• 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？
  • 这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任

2.模式定义

• 定义：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
• 结构
  

3.要点总结

• Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected以允许子类派生
• Singleton模式一般不要支持拷贝构造函数和Clone接口，因为这有可能导致多个对象实例，与Singleton模式的初中违背
• 如何实现多线程环境下安全的Singleton？
  • 注意对双检查锁的正确实现

4.代码感受

// 类设计
class Singleton
{
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);
public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};
Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;

// 线程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() 
{
    if (m_instance == nullptr) 
    {
        m_instance = new Singleton();
    }

    return m_instance;
}

// 线程安全版本，但锁的代价过高
Singleton* Singleton::getInstance() 
{
    Lock lock;
    if (m_instance == nullptr) 
    {
        m_instance = new Singleton();
    }

    return m_instance;
}

// 双检查锁，但由于内存读写reorder不安全
Singleton* Singleton::getInstance() 
{
    if(m_instance==nullptr)
    {
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) 
        {
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    
    return m_instance;
}

// 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); // 读取内存
    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_release); // 释放内存fence
            m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
        }
    }

    return tmp;
}