細說Singleton模式：創(chuàng)建、多線程與銷毀
GOF著作中對Singleton模式的描述為：保證一個class只有一個實體(Instance),并為它提供一個全局訪問點(global access point)。
從其描述來看，是非常簡單的，但實現(xiàn)該模式卻是復雜的。Singleton設(shè)計模式不存在一種所謂的“***”方案。需要根據(jù)當時的具體問題進行具體解決，下面將講述在不同環(huán)境下的解決方案。
Singleton的詳細解釋，請大家看GOF的著作《設(shè)計模式》一書。俺比較懶，是不想抄了。
1 Singleton創(chuàng)建
1.1 GOF Singleton
在GOF著作中對Singleton模式的實現(xiàn)方式如下：
- /*解一*/
- class Singleton
- {
- public:
- static Singleton *Instance(){ //1
- if( !m_pInstatnce) //2
- m_pInstance = new Singleton;//3
- return m_pInstance; //4
- }
- private:
- static Singleton *m_pInstatnce; //5
- private:
- Singleton(); //6
- Singleton(const Singleton&); //7
- Singleton& operator=(const Singleton&); //8
- ~Singleton(); //9
- }
- Singleton *Singleton:m_pInstatnce = NULL; //10
在上面的解決方案中，我們只在需要調(diào)用時，才產(chǎn)生一個Singleton的對象。這樣帶來的好處是，如果該對象產(chǎn)生帶來的結(jié)果很昂貴，但不經(jīng)常用到時，是一種非常好的策略。但如果該Instance被頻繁調(diào)用，那么就有人覺得Instance中的判斷降低了效率（雖然只是一個判斷語句^_^）,那么我們就把第5條語句該為
- static Singleton m_Instatnce;
如此一來，在Instatnce直接返回&m_Instance，而不用做任何判斷，效率也高了。（是不是呢？）
這樣修改后，我們將帶來災難性的后果：
1：首先有可能編譯器這關(guān)就沒法通過，說m_Instance該外部變量無法解決（visural C++6.0）
- error LNK2001: unresolved external symbol "private: static class Singleton Singleton::m_Instance" (?m_Instance@Singleton@@0V1@A)
2：如果編譯器這關(guān)通過了就沒問題了么？答案是否定的。
***是不管Instance是否用到，該靜態(tài)變量對象在編譯器編譯時就產(chǎn)生了，即資源消耗是不可避免的；
第二是無法確保編譯器一定先將m_Instance初始化。所以Instance的調(diào)用有可能傳回一個尚沒構(gòu)造的Singleton對象。這也意味著你無法保證任何外部對象所使用的m_Instance是一個被正確初始化的對象。
1.2 Meyers Singleton
我們?nèi)绾谓鉀Q這個問題呢，實際上很簡單。一種非常優(yōu)雅的做法由Scott Meyers***提出，故也稱為Meyers Singleton。它依賴編譯器的神奇技巧。即函數(shù)內(nèi)的static對象只在該函數(shù)***次執(zhí)行時才初始化（請注意不是static常量）。
- /*解二*/
- class Singleton
- {
- public:
- static Singleton *Instance(){ //1
- static Singleton sInstance; //2
- return &sInstance; //3
- }
- private:
- Singleton(); //4
- Singleton(const Singleton&); //5
- Singleton& operator=(const Singleton&); //6
- ~Singleton(); //7
- }
解二在Instance中定義了一個Static的Singleton對象，來解決Instance中初始化的問題，也很順利的解決了定義Static成員對象帶來的問題。
請注意，解二在VC6中不能編譯通過，將有以下的錯誤：
- error C2248: 'Singleton::~Singleton' : cannot access private member declared in class 'Singleton' e:\work\q\a.h(81) : see declaration of 'Singleton::~Singleton'
產(chǎn)生該問題的錯誤原因是什么呢(請仔細思考^_^)
原因在于在產(chǎn)生static Singleton對象后，編譯器會自動產(chǎn)生一個銷毀函數(shù)__DestroySingleton，然后調(diào)用atexit()注冊，在程序退出時執(zhí)行__DestroySingleton。但由于Singleton的析構(gòu)函數(shù)是private，所以會產(chǎn)生訪問錯誤。（應該在以后的編譯器中修改了該BUG）
1.3 Singleton改進
讓Instance傳回引用(reference)。如果傳回指針，調(diào)用端有可能講它delete調(diào)。
1.4 Singleton注意之點
在上面的解法中，請注意對構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的處理，有何好處（請自己理解，俺懶病又犯了）。
2 多線程
在解一中，如果我們運行在多線程的環(huán)境中，該方案是***的么，將會有什么后果呢？
后果就是會造成內(nèi)存泄漏，并且有可能前后獲取的Singleton對象不一樣（原因請自己思考，后面有解答）。
為了解決這個問題，將解一的Instance改為如下：
- Singleton& Singleton::Instance(){
- Lock(m_mutex); //含義為獲取互斥量 //1
- If( !m_pInstance ){ //2
- m_pInstance = new Singleton; //3
- }
- UnLock(m_mutex); //4
- return *m_pInstance; //5
- }
此種方法將解決解一運行在多線程環(huán)境下內(nèi)存泄漏的問題，但帶來的結(jié)果是，當m_mutex被鎖定時，其它試圖鎖定m_mutex的線程都將必須等等。并且每次執(zhí)行鎖操作其付出的代價極大，亦即是這種方案的解決辦法并不吸引人。
那么我們將上面的代碼改為如下方式：
- Singleton& Singleton::Instance(){
- If( !m_pInstance ){ //1
- Lock(m_mutex); //含義為獲取互斥量 //2
- m_pInstance = new Singleton; //3
- UnLock(m_mutex); //4
- }
- return *m_pInstance; //5
- }
這樣修改的結(jié)果沒有問題了么？NO!!!!該方案帶來的結(jié)果同解一，原因也一樣，都將造成內(nèi)存泄漏。此時“雙檢測鎖定”模式就粉墨登場了。
由Doug Schmidt和Tim Harrison提出了“雙檢測鎖定”(Double-Checked Locking)模式來解決multithread singletons問題。
- Singleton& Singleton::Instance(){
- If( !m_pInstance ){ //1
- Lock(m_mutex); //含義為獲取互斥量 //2
- If(!m_pInstance) //3
- m_pInstance = new Singleton; //4
- UnLock(m_mutex); //5
- }
- return *m_pInstance; //6
- }
請看上面的第三句，這句話是不是具有化腐朽為神奇的力量啊 ^_^
上面的方案就***了么。回答還是NO!!!(各位看官是否已經(jīng)郁悶了啊，這不是玩我??？請耐心點，聽我細細到來^_^)
如果在RISC機器上編譯器有可能將上面的代碼優(yōu)化，在鎖定m_mutex前執(zhí)行第3句。這是完全有可能的，因為***句和第3句一樣，根據(jù)代碼優(yōu)化原則是可以這樣處理的。這樣一來，我們引以為自豪的“雙檢測鎖定”居然沒有起作用( L)
怎么辦？解決唄。怎么解決？簡單，我們在m_pInstance前面加一個修飾符就可以了。什么修飾符呢?……
àvolatile(簡單吧)
那么我們完整的解法如下：
- /*解三*/
- class Singleton
- {
- public:
- static Singleton &Instance(){ //1
- if( !m_pInstatnce){ //2
- Lock(m_mutex) //3
- If( !m_pInstance ) //4
- m_pInstance = new Singleton;//5
- UnLock(m_mutex); //6
- }
- return *m_pInstance; //7
- }
- private:
- static volatitle Singleton *m_pInstatnce; //8
- private:
- Singleton(); //9
- Singleton(const Singleton&); //10
- Singleton& operator=(const Singleton&); //11
- ~Singleton(); //12
- }
- Singleton *Singleton:m_pInstatnce = NULL; //13
3 Singleton銷毀
在這里，我們就到了Singleton最簡單也最復雜的地方了。
為什么說它簡單？我們根本可以不理睬創(chuàng)建的對象m_pInstance的銷毀啊。因為雖然我們一直沒有將Singleton對象刪除，但不會造成內(nèi)存泄漏。為什么這樣說呢？因為只有當你分配了累積行數(shù)據(jù)并丟失了對他的所有reference是，內(nèi)存泄漏才發(fā)生。而對Singleton并不屬于上面的情況，沒有累積性的東東，而且直到結(jié)束我們還有它的引用。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，當一個進程結(jié)束后，將自動將該進程所有內(nèi)存空間完全釋放。（可以參考《effective C++》條款10，里面講述了內(nèi)存泄漏）。
但有時泄漏還是存在的，那是什么呢？就是資源泄漏。比如說如果該Singleton對象管理的是網(wǎng)絡連接，OS互斥量，進程通信的handles等等。這時我們就必須考慮到Singleton的銷毀了。談到銷毀，那可是一個復雜的課題（兩天三夜也說不完^_^ 開玩笑的啦，大家輕松一下嘛）。
我們需要在恰當?shù)牡攸c，恰當?shù)臅r機刪除Singleton對象，并且還要在恰當?shù)臅r機創(chuàng)建或者重新創(chuàng)建Singleton對象。
在我們的“解二”中，在程序結(jié)束時會自動調(diào)用Singleton的析構(gòu)函數(shù)，那么也將自動釋放所獲取的資源。在大多數(shù)情況下，它都能夠有效運作。那特殊情況是什么呢？
我們以KDL（keyboard，display，log）模型為例，其中K,D,L均使用Singleton模式。只要keyboard或者display出現(xiàn)異常，我們就必須調(diào)用log將其寫入日志中，否則log對象不應該創(chuàng)建。對后面一條，我們的Singleton創(chuàng)建時就可以滿足。
在前面我們已經(jīng)說到，在產(chǎn)生一個對象時（非用new產(chǎn)生的對象），由編譯器自動調(diào)用了atexit(__DestroyObject)函數(shù)來實現(xiàn)該對象的析構(gòu)操作。而C++對象析構(gòu)是LIFO進行的，即先產(chǎn)生的對象后摧毀。
如果在一般情況下調(diào)用了log對象，然后開始銷毀對象。按照“后創(chuàng)建的先銷毀”原則：log對象將被銷毀，然后display對象開始銷毀。此時display在銷毀發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常，于是調(diào)用log對象進行記錄。但事實上，log對象已經(jīng)被銷毀，那么調(diào)用log對象將產(chǎn)生不可預期的后果，此問題我們稱為Dead Reference。所以前面的解決方案不能解決目前我們遇到的問題。
Andrei Alexandrescu提出了解決方案，稱為Phoenix Singleton（取自鳳凰涅磐典故）
- /*解四*/
- class Singleton
- {
- public:
- static Singleton &Instance(){
- if( !m_pInstatnce){
- Lock(m_mutex)
- If( !m_pInstance ){
- if(m_destroyed)
- OnDeadReference();
- else
- Create();
- }
- UnLock(m_mutex);
- }
- return *m_pInstance;
- }
- private:
- static volatitle Singleton *m_pInstatnce;
- static bool m_destroyed;
- private:
- Singleton();
- Singleton(const Singleton&);
- Singleton& operator=(const Singleton&);
- ~Singleton(){
- m_pInstance = 0;
- m_destroyed = true;
- }
- static void Create(){
- static Singleton sInstance;
- m_pInstanace = &sInstance;
- }
- static void OnDeadReference(){
- Create();
- new (m_pInstance) Singleton;
- atexit(KillPhoenixSingleton);
- m_destroyed = false;
- }
- void KillPhoenixSingleton(){
- m_pInstance->~Singleton();
- }
- }
- Singleton *Singleton:m_pInstatnce = NULL;
- bool m_destroyed =false;
請注意此處OnDeadReference()中所使用的new操作符的用法：是所謂的placement new操作，它并不分配內(nèi)存，而是在某個地址上構(gòu)造一個新對象。
這是解決Dead Reference方法之一。如果此時keyboard或者display對象也需要處理Dead Reference問題時，那么上面的OnDeadReference將被頻繁調(diào)用，效率將會很低。即該問題為：需要提供一種解決方案，用于處理對象的建立過程可以不按照“先創(chuàng)建會銷毀”的原則，而應該為其指定一個銷毀順序。
聰明的Andrei Alexandrescu提出了一個“帶壽命的Singleton”解決方案。該方案的思想是：利用atexit()的特性；在每次創(chuàng)建一個對象后，將該對象放入到一個鏈表中（該鏈表是按照銷毀順序排訓的），并同時調(diào)用atexit()注冊一個銷毀函數(shù)；該銷毀函數(shù)從鏈表中獲取最需要銷毀的對象進行銷毀。(懶病又犯了L。該模式的實現(xiàn)請各位看官自行實現(xiàn)，可以參考《C++設(shè)計新思維》一書，Andrei Alexandrescu著)。
各位看官，看完本篇后，是否覺得Singleton還簡單啦 :)
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