【设计模式】单例模式

1. 什么是单例模式

　　该模式的主要目的就是确保某个类有且仅有一个实例存在，在任何位置都可以通过接口获取这个唯一实例。如：

• 设备管理器：系统可以有多个设备，但是只有一个设备管理器，用于管理设备驱动；
• 数据池：用来缓存数据的数据结构，需要在一处写，多处读取，或者多处写，多处读取；

2. 单例模式的应用

• 特征

　　1. 确保全局只有一个实例（static private）被创建：

　　　　为此，单例类只能提供私有（private）构造函数，保证用户不能随意自定义实例；实例靠自己来创建；

　　2. 提供该实例的全局访问接口：

　　　　通过静态（static）公有方法，创建或者获取该静态私有对象；

　　3. 禁止赋值和拷贝

　　4. 线程安全

• 如何使用

　　越小越好，越简单越好，线程安全，内存不泄露。

3. 单例模式的几种实现及优缺点

• 懒汉式：懒汉很懒，只有用的时候才实例化

　　写法1：（基础写法，有缺陷）

class Singleton
{
private:
    Singleton() {}
    Singleton(Singleton&) = delete; //C++11特性，意味着不可调用，负责报错
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    static Singleton* m_pInstance;

public:
    ~Singleton() {}
    static Singleton* getInstance()
    {
        if(!m_pInstance)
        　　m_instance_ptr = new Singleton;

        return m_pInstance;
    }
};

Singleton* Singleton::m_pInstance = NULL;       

　　这是个最基础的单例模式实现，他有那些问题呢？

• 线程安全问题，如多个线程同时尝试获取单例，判断m_pInstance都为空，实例化多个对象。解决方法：加锁
• 内存是否泄漏？只负责new出对象，却不负责delete对象，导致内存泄漏？一般而言，单例类实例都是常驻的，不需要手动释放。如果非要释放，不能在析构函数中，可以考虑增加一个destroy()方法，或者智能指针；

　　写法2：（安全写法，也有不足）

class Singleton
{
public:
    typedef std::shared_ptr sharePtr;

    ~Singleton() {}
    Singleton(Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    static Ptr getInstance()
    { 
        //double checked lock
        if(!m_pInstance)
        {
            std::lock_guard lk(m_mutex);
            if(!m_pInstance)
            　　m_pInstance = std::shared_ptr(new Singleton);
        }
        return m_instance_ptr;
    }

private:
    Singleton() {}
    static sharePtr m_pInstance;
    static std::mutex m_mutex;
};

Singleton::sharePtr Singleton::m_pInstance = NULL;
std::mutex Singleton::m_mutex;            

　　不足之处在于：

• 约束用户也要使用只能指针，非必要不约束；
• 锁也有开销，大数据量情况下，会成为严重的性能瓶颈；
• 代码增多；
• 某些平台（编译器和指令架构不同），双检锁会失效；

　　写法3：（最推荐写法，局部静态变量 - magic static）

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

    }
private:
    Singleton() {}
};

　　又叫做Meyers' SingletonMeyer's的单例，是著名《Effective C++》作者Meyers提出的，用到的特性是C++11中的Magic Static特性：　

If control enters the declaration concurrently while the variable is being initialized, the concurrent execution shall wait for completion of the initialization.
如果当变量在初始化的时候，并发同时进入声明语句，并发线程将会阻塞等待初始化结束。

　　这样保证了并发线程在获取静态局部变量的时候一定是初始化过的，所以具有线程安全性：

• 通过局部静态变量特性，保证了线程安全（C++11，GCC>4.3，VS2015）
• 不需要共享指针，代码简洁；
• 注意使用时，需要声明单例的引用才能获取对象；否则返回指针的话，无法避免用户delete导致对象提前销毁。

　　写法4：单例模板

　　待续。。。