单例模式

定义：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。单例模式的最终目的是为了要实现对唯一实例 的受控访问。另外注意，由于子类对象中会包含有基类的子对象，因此使用单例模式的类不能够作为基类去派生其他的类。

单例模式结构图：

image.png

根据对对象进行初始化时机的不同，单例模式可以分为懒汉式和饿汉式

懒汉式

懒汉式单例模式是指系统运行中，实例并不存在，只有当需要使用该实例时，才会去创建并使用实例。（这种方式要考虑线程安全）

C++ 11 以前的标准

双检查锁实现懒汉式单例模式（Double-checking Lock）

class Singleton{
public:
    static Singleton* getInstance(){
    // 先检查对象是否存在
    if(m_instance==nullptr){
        Lock lock; //伪代码
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    return m_instance;
}
private:
    Singleton(); //私有构造函数，不允许使用者自己生成对象
    Singleton(const Singleton& other);
    static Singleton* m_instance; //静态成员变量 
};

在相当长的一段时间，迷惑了很多人，在2000年的时候才被人发现漏洞，而且在每种语言上都发现了。原因是内存读写的乱序执行（编译器的问题）。

分析：m_instance = new Singleton()这句话可以分成三个步骤来执行：

1. 分配了一个Singleton类型对象所需要的内存。

2. 在分配的内存处构造Singleton类型的对象。

3. 把分配的内存的地址赋给指针m_instance。

可能会认为这三个步骤是按顺序执行的，但实际上只能确定步骤1是最先执行的，步骤2，3却不一定。问题就出现在这。假如某个线程A在调用执行m_instance = new Singleton()的时候是按照1,3,2的顺序的，那么刚刚执行完步骤3给Singleton类型分配了内存（此时m_instance就不是nullptr了）就切换到了线程B，由于m_instance已经不是nullptr了，所以线程B会直接执行return m_instance得到一个对象，而这个对象并没有真正的被构造！！严重bug就这么发生了。

C++ 11中的版本

C++11当中明确保证了 static local 对象是线程安全的，同时由于 static local object 是存放于静态区，因此不会出现内存泄漏的问题

public:
    static Singleton& GetInstance(){
        static Singleton s;
        return s;
 }
private:
    Singleton(){}
    ~Singleton(){}
    Singleton(Singleton const&) = delete;
    Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
};

饿汉式

饿汉式是指系统一运行，就初始化创建实例，当需要时，直接调用即可。（本身就线程安全，没有多线程的问题）

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

在饿汉式单例模式中，instance 是全局静态对象，因此初始化的过程将会在 main 之前的单线程启动阶段，因此不存在线程安全问题。

补充内容：static 对象的初始化

全局 static 对象（函数外）

C++规定，non-local static 对象的初始化发生在main函数执行之前，也即main函数之前的单线程启动阶段，所以不存在线程安全问题。但C++没有规定多个non-local static 对象的初始化顺序，尤其是来自多个编译单元的non-local static对象，他们的初始化顺序是未定义的

局部 static 对象（函数内）

对于local static 对象，其初始化发生在控制流第一次执行到该对象的初始化语句时。多个线程的控制流可能同时到达其初始化语句。

在C++11之前，在多线程环境下local static对象的初始化并不是线程安全的。具体表现就是：如果一个线程正在执行local static对象的初始化语句但还没有完成初始化，此时若其它线程也执行到该语句，那么这个线程会认为自己是第一次执行该语句并进入该local static对象的构造函数中。这会造成这个local static对象的重复构造，进而产生内存泄露问题。所以，local static对象在多线程环境下的重复构造问题是需要解决的。

而C++11则在语言规范中解决了这个问题。C++11规定，在一个线程开始local static 对象的初始化后到完成初始化前，其他线程执行到这个local static对象的初始化语句就会等待，直到该local static 对象初始化完成。