戏说Singleton模式

戏说Singleton模式
DragonCheng

GOF著作中对Singleton模式的描述为：保证一个class只有一个实体(Instance),并为它提供一个全局访问点(global access point)。
从其描述来看，是非常简单的，但实现该模式却是复杂的。Singleton设计模式不存在一种所谓的“最佳”方案。需要根据当时的具体问题进行具体解决，下面将讲述在不同环境下的解决方案。
Singleton的详细解释，请大家看GOF的著作《设计模式》一书。俺比较懒，是不想抄了。J
1 Singleton创建
1.1 GOF Singleton
在GOF著作中对Singleton模式的实现方式如下：

/*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



在上面的解决方案中，我们只在需要调用时，才产生一个Singleton的对象。这样带来的好处是，如果该对象产生带来的结果很昂贵，但不经常用到时，是 一种非常好的策略。但如果该Instance被频繁调用，那么就有人觉得Instance中的判断降低了效率（虽然只是一个判断语句^_^）,那么我们就 把第5条语句该为
static Singleton m_Instatnce;
如此一来，在Instatnce直接返回&m_Instance，而不用做任何判断，效率也高了。（是不是呢？）
这样修改后，我们将带来灾难性的后果：
1：首先有可能编译器这关就没法通过，说m_Instance该外部变量无法解决（visural C++6.0）
error LNK2001: unresolved external symbol "private: static class Singleton Singleton::m_Instance" (?m_Instance@Singleton@@0V1@A)
2：如果编译器这关通过了就没问题了么？答案是否定的。
第一是不管Instance是否用到，该静态变量对象在编译器编译时就产生了，即资源消耗是不可避免的；
第二是无法确保编译器一定先将m_Instance初始化。所以Instance的调用有可能传回一个尚没构造的Singleton对象。这也意味着你无法保证任何外部对象所使用的m_Instance是一个被正确初始化的对象。
1.2 Meyers Singleton
我们如何解决这个问题呢，实际上很简单。一种非常优雅的做法由Scott Meyers最先提出，故也称为Meyers Singleton。它依赖编译器的神奇技巧。即函数内的static对象只在该函数第一次执行时才初始化（请注意不是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中定义了一个Static的Singleton对象，来解决Instance中初始化的问题，也很顺利的解决了定义Static成员对象带来的问题。
请注意，解二在VC6中不能编译通过，将有以下的错误：
error C2248: 'Singleton::~Singleton' : cannot access private member declared in class 'Singleton' e:\work\q\a.h(81) : see declaration of 'Singleton::~Singleton'
产生该问题的错误原因是什么呢(请仔细思考^_^)
原因在于在产生static Singleton对象后，编译器会自动产生一个销毁函数__DestroySingleton，然后调用atexit()注册，在程序退出时执行 __DestroySingleton。但由于Singleton的析构函数是private，所以会产生访问错误。（应该在以后的编译器中修改了该 BUG）
1.3 Singleton改进
让Instance传回引用(reference)。如果传回指针，调用端有可能讲它delete调。
1.4 Singleton注意之点
在上面的解法中，请注意对构造函数和析构函数的处理，有何好处（请自己理解，俺懒病又犯了L）。
2 多线程
在解一中，如果我们运行在多线程的环境中，该方案是完美的么，将会有什么后果呢？
后果就是会造成内存泄漏，并且有可能前后获取的Singleton对象不一样（原因请自己思考，后面有解答）。
为了解决这个问题，将解一的Instance改为如下：

Singleton& Singleton::Instance(){
    Lock(m_mutex); //含义为获取互斥量 //1
    if( !m_pInstance ){ //2
        m_pInstance = new Singleton; //3
    }
    UnLock(m_mutex); //4
    return *m_pInstance; //5
}

此种方法将解决解一运行在多线程环境下内存泄漏的问题，但带来的结果是，当m_mutex被锁定时，其它试图锁定m_mutex的线程都将必须等等。并且每次执行锁操作其付出的代价极大，亦即是这种方案的解决办法并不吸引人。
那么我们将上面的代码改为如下方式：

Singleton& Singleton::Instance(){
    if( !m_pInstance ){ //1
        Lock(m_mutex); //含义为获取互斥量 //2
        m_pInstance = new Singleton; //3
        UnLock(m_mutex); //4
    }
    return *m_pInstance; //5
}

这样修改的结果没有问题了么？NO!!!!该方案带来的结果同解一，原因也一样，都将造成内存泄漏。此时“双检测锁定”模式就粉墨登场了。
由Doug Schmidt和Tim Harrison提出了“双检测锁定”(Double-Checked Locking)模式来解决multithread singletons问题。

Singleton& Singleton::Instance(){
    if( !m_pInstance ){ //1
        Lock(m_mutex); //含义为获取互斥量 //2
        if(!m_pInstance) //3
            m_pInstance = new Singleton; //4
        UnLock(m_mutex); //5
    }
    return *m_pInstance; //6
}

请看上面的第三句，这句话是不是具有化腐朽为神奇的力量啊 ^_^
上面的方案就完美了么。回答还是NO!!!(各位看官是否已经郁闷了啊，这不是玩我啊？请耐心点，听我细细到来^_^)
如果在RISC机器上编译器有可能将上面的代码优化，在锁定m_mutex前执行第3句。这是完全有可能的，因为第一句和第3句一样，根据代码优化原则是可以这样处理的。这样一来，我们引以为自豪的“双检测锁定”居然没有起作用( L)
怎么办？解决呗。怎么解决？简单，我们在m_pInstance前面加一个修饰符就可以了。什么修饰符呢?…….

volatitle(简单吧，让我们J吧)
那么我们完整的解法如下：

/*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销毁
在这里，我们就到了Singleton最简单也最复杂的地方了。
为什么说它简单？我们根本可以不理睬创建的对象m_pInstance的销毁啊。因为虽然我们一直没有将Singleton对象删除，但不会造成内存泄 漏。为什么这样说呢？因为只有当你分配了累积行数据并丢失了对他的所有reference是，内存泄漏才发生。而对Singleton并不属于上面的情 况，没有累积性的东东，而且直到结束我们还有它的引用。在现代操作系统中，当一个进程结束后，将自动将该进程所有内存空间完全释放。（可以参考 《effective C++》条款10，里面讲述了内存泄漏）。
但有时泄漏还是存在的，那是什么呢？就是资源泄漏。比如说如果该Singleton对象管理的是网络连接，OS互斥量，进程通信的handles等等。这 时我们就必须考虑到Singleton的销毁了。谈到销毁，那可是一个复杂的课题（两天三夜也说不完^_^ 开玩笑的啦，大家轻松一下嘛）。
我们需要在恰当的地点，恰当的时机删除Singleton对象，并且还要在恰当的时机创建或者重新创建Singleton对象。
在我们的“解二”中，在程序结束时会自动调用Singleton的析构函数，那么也将自动释放所获取的资源。在大多数情况下，它都能够有效运作。那特殊情况是什么呢？
我们以KDL（keyboard，display，log）模型为例，其中K,D,L均使用Singleton模式。只要keyboard或者 display出现异常，我们就必须调用log将其写入日志中，否则log对象不应该创建。对后面一条，我们的Singleton创建时就可以满足。
在前面我们已经说到，在产生一个对象时（非用new产生的对象），由编译器自动调用了atexit(__DestroyObject)函数来实现该对象的析构操作。而C++对象析构是LIFO进行的，即先产生的对象后摧毁。
如果在一般情况下调用了log对象，然后开始销毁对象。按照“后创建的先销毁”原则：log对象将被销毁，然后display对象开始销毁。此时 display在销毁发现出现异常，于是调用log对象进行记录。但事实上，log对象已经被销毁，那么调用log对象将产生不可预期的后果，此问题我们 称为Dead Reference。所以前面的解决方案不能解决目前我们遇到的问题。
Andrei Alexandrescu提出了解决方案，称为Phoenix Singleton（取自凤凰涅磐典故）

/*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;

请注意此处OnDeadReference()中所使用的new操作符的用法：是所谓的placement new操作，它并不分配内存，而是在某个地址上构造一个新对象。
这是解决Dead Reference方法之一。如果此时keyboard或者display对象也需要处理Dead Reference问题时，那么上面的OnDeadReference将被频繁调用，效率将会很低。即该问题为：需要提供一种解决方案，用于处理对象的建 立过程可以不按照“先创建会销毁”的原则，而应该为其指定一个销毁顺序。
聪明的Andrei Alexandrescu提出了一个“带寿命的Singleton”解决方案。该方案的思想是：利用atexit()的特性；在每次创建一个对象后，将该 对象放入到一个链表中（该链表是按照销毁顺序排训的），并同时调用atexit()注册一个销毁函数；该销毁函数从链表中获取最需要销毁的对象进行销 毁。(懒病又犯了L。该模式的实现请各位看官自行实现，可以参考《C++设计新思维》一书，Andrei Alexandrescu著)。
各位看官，看完本篇后，是否觉得Singleton还简单啦J