设计模式之单例模式（未完待续）

单例模式的意图是：“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。--《DP》”
从单例模式的目的来看，类的构造函数不能是public属性的，不然使用者都可以调用，也就不止一个实例对象。提供一个全局访问点意味着需要一个静态的访问函数。其实这里的实现思想也非常朴素，既然只能有一个实例，那么就在构造前判断一下是否存在对象，存在就直接返回，不存在就构造。是不是非常类似于微机原理中标志位的感觉。那么上代码：
singleton.h

#pragma once

#ifndef SINGLETON_H
#define SINGLETON_H
class Singleton {
public:
    // 暴露给外部的全局访问点
    static Singleton* GetInstance();
protected:
    
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton();
    Singleton(Singleton& s);
    Singleton operator = (const Singleton);
};
#endif // !SINGLETON_H

singleton.cpp

#include "singleton.h"

Singleton* Singleton::instance = nullptr;

Singleton* Singleton::GetInstance()
{
    if (instance == nullptr) {
        instance = new Singleton();  
    }
    return instance;
}

Singleton::Singleton()
{
}

验证如下：

#include "singleton.h"
#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    Singleton* s1 = Singleton::GetInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::GetInstance();

    cout << "s1: " << s1 << endl;
    cout << "s2: " << s2 << endl;

    return 0;
}

运行结果如下：

image.png

可以看出，虽然想构造两个对象，但是指向的都是同一个实例对象。

如上代码在单线程场景下，功能是没有问题的，反之，多线程则会出现问题。它不是线程安全的实现。
假设线程1运行到Singleton* Singleton::GetInstance()函数if分支中，假设此时instance=nullptr，并且判断完毕，此时CPU时间片切到线程2，恰好也是这个函数，由于此时instance的值是nullptr，那么会new一个实例。再次切换到线程1，执行new实例操作，结果就创建了两个不同的实例。
现在来修改下GetInstance函数：

Singleton* Singleton::GetInstance()
{
    Lock lock;
    if (instance == nullptr) {
        instance = new Singleton();  
    }
    return instance;
}

这里的实现可以避免上述的问题。但是这个实现也不是很合理，上述问题出现的前提是instance=nullptr，没必要进来就加锁，而且高并发的情况下影响性能。检查后再加锁的做法被称为“double-check locking”（双重锁定或双检查锁）。

Singleton* Singleton::GetInstance()
{
    if (instance == nullptr) {
        Lock lock;
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance; 
    }

}

双重锁定的实现在通常情况下似乎没有问题，但是假如编译器做了一些“优化”：reorder，上述代码依然有漏洞。
让我们看下instance = new Singleton()语句的具体实现：
1、申请内存；
2、调用Singleton构造器；
3、把内存地址传给instance；
如果编译器进行优化后，变成如下顺序：
1、申请内存；
2、把内存地址传给instance；
3、调用Singleton构造器；
假设线程1执行完申请内存，并且把内存地址传给instance（即instance != nullptr）后，挂起，线程2执行到GetInstance函数，此时（instance == nullptr）的结果是个false，直接返回地址。使用这个指针就会出现问题，因为实际上它还是个原生指针，还没有被类构造！
关于如何修改，李建忠给出了一种想法，我觉得太繁琐了。地址在https://www.bilibili.com/video/av24176315?t=1895&p=12 P12部分，时间26:00。
后续继续更新。