设计模式--单例模式Singleton（创建型）

单例模式Singleton背景

软件实现中，有些时候整个系统只需要拥有一个全局对象，这样有利于协调系统的整体行为，使系统在单个对象存在时更有效率，或者限制实例化为特定数量的对象。例如对某个协议栈模块的访问， 需要整个模块有且仅有一个访问入口，否则将会导致协议栈状态混乱，为此需要实现创建管理一个全局管理对象，维持其生命周期。

在软件工程中，单例模式提供了这样一个实现，保证了一个类只有一个实例存在，并提供一个访问它的全局访问点。

通过情况下，我们可以使用全局变量使得一个对象被全局访问，但该方法不能防止实例化多个对象，无法保证实例唯一性，一个最好的办法是，让类自身负责保护它的唯一实例，这个类可以保证没有其它实例被创建，并且提供一个访问该实例的方法，实现类实例的唯一性和受控访问。

单例模式Singleton实现

单例模式一个经典的实现方式：

class Singleton
{
private:
Singleton(){
//private constructor, 阻止外部调用new对象
}
Singleton(const Singleton&){
//private copy constructor, 防止被复制
};
Singleton& operator=(const Singleton&){
//private operator =, 防止被复制
};

private:
static Singleton *m_pInstance;

public:
static Singleton* GetInstance()  //本类实例全局唯一访问点
{
if(NULL == m_pInstance)
m_pInstance = new Singleton();

return m_pInstance;
}

static void DestoryInstance()
{
if (m_pInstance != NULL )
{
delete m_pInstance;
m_pInstance = NULL ;
}
}

// Other methods...
};

Singleton class通过将类的构造函数、复制构造函数以及赋值函数限定为private，避免了类在外部被实例化，其唯一实例只能通过GetInstance()方法访问。

多线程环境单例模式Singleton

上述单例模式实现代码直观易懂，但没有考虑线程安全问题，在多线程的运行环境中，当多个线程同时访问Singletion类的GetInstance()方法时，极有可能造成创建多个实例。若线程A运行检测到m_pInstance == NULL， 但来得及执行m_pInstance = new Singleton()时被线程B中断，线程B 执行同样的判断m_pInstance == NULL 从而创建了类的实例，当线程A再次获得运行权时，将继续执行创建类实例的操作，再次创建了实例，从而创建了多个实例，违背单例模式的初衷。因此比较直接的做法是，在创建实例时加锁lock，lock 确保当线程A位于代码lock保护区域时，其余线程不能进入该lock保护区域，此时若其它线程试图进入lock 保护区域，那么它将一直被阻塞等待，直到锁对象被释放。

static Singleton* GetInstance()  //本类实例全局唯一访问点
{
lock();   //TODO: 借用其它类来实现, std::mutex
{
if(NULL == m_pInstance)
m_pInstance = new Singleton();
}

return m_pInstance;
}

这种实现方式的确保证了单例模式的线程安全，确保对象创建的唯一性，但每次调用GetInstance 获取对象都需要lock 后判断, 对性能有较大影响， 一种改进的做法是，先判断对象是否已经创建，在未创建的情况下再加锁创建， 确保创建的唯一性。

static Singleton GetInstance() //本类实例全局唯一访问点
{

if(NULL == m_pInstance)
{
lock()； //TODO: 借用其它类来实现, std::mutex
{
if(null == m_pInstance)
m_pInstance = new Singleton();
}
}

return m_pInstance;
}

这种方式实现了在每次访问GetInstance 时仅仅在对象不存在时需要加锁lock，大大提高了效率。

说明： 单例模式有多种实现方式，文中只实现了其中的一种，逐步分析提供了在多线程环境中的安全机制。