細(xì)說(shuō)Singleton模式：創(chuàng)建、多線程與銷毀
GOF著作中對(duì)Singleton模式的描述為：保證一個(gè)class只有一個(gè)實(shí)體(Instance),并為它提供一個(gè)全局訪問(wèn)點(diǎn)(global access point)。
從其描述來(lái)看，是非常簡(jiǎn)單的，但實(shí)現(xiàn)該模式卻是復(fù)雜的。Singleton設(shè)計(jì)模式不存在一種所謂的“***”方案。需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體問(wèn)題進(jìn)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(xì)解釋，請(qǐng)大家看GOF的著作《設(shè)計(jì)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(duì)Singleton模式的實(shí)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(shí)，才產(chǎn)生一個(gè)Singleton的對(duì)象。這樣帶來(lái)的好處是，如果該對(duì)象產(chǎn)生帶來(lái)的結(jié)果很昂貴，但不經(jīng)常用到時(shí)，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(jué)得Instance中的判斷降低了效率（雖然只是一個(gè)判斷語(yǔ)句^_^）,那么我們就把第5條語(yǔ)句該為
- static Singleton m_Instatnce;
如此一來(lái)，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(lái)災(zāi)難性的后果：
1：首先有可能編譯器這關(guān)就沒(méi)法通過(guò)，說(shuō)m_Instance該外部變量無(wú)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(guò)了就沒(méi)問(wèn)題了么？答案是否定的。
***是不管Instance是否用到，該靜態(tài)變量對(duì)象在編譯器編譯時(shí)就產(chǎn)生了，即資源消耗是不可避免的；
第二是無(wú)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(gè)尚沒(méi)構(gòu)造的Singleton對(duì)象。這也意味著你無(wú)法保證任何外部對(duì)象所使用的m_Instance是一個(gè)被正確初始化的對(duì)象。
1.2 Meyers Singleton
我們?nèi)绾谓鉀Q這個(gè)問(wèn)題呢，實(shí)際上很簡(jiǎn)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(duì)象只在該函數(shù)***次執(zhí)行時(shí)才初始化（請(qǐng)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(gè)Static的Singleton對(duì)象，來(lái)解決Instance中初始化的問(wèn)題，也很順利的解決了定義Static成員對(duì)象帶來(lái)的問(wèn)題。
請(qǐng)注意，解二在VC6中不能編譯通過(guò)，將有以下的錯(cuò)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(wèn)題的錯(cuò)誤原因是什么呢(請(qǐng)仔細(xì)思考^_^)
原因在于在產(chǎn)生static Singleton對(duì)象后，編譯器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)銷毀函數(shù)__DestroySingleton，然后調(diào)用atexit()注冊(cè)，在程序退出時(shí)執(zhí)行__DestroySingleton。但由于Singleton的析構(gòu)函數(shù)是private，所以會(huì)產(chǎn)生訪問(wèn)錯(cuò)誤。（應(yīng)該在以后的編譯器中修改了該BUG）
1.3 Singleton改進(jìn)
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(diǎn)
在上面的解法中，請(qǐng)注意對(duì)構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的處理，有何好處（請(qǐng)自己理解，俺懶病又犯了）。
2 多線程
在解一中，如果我們運(yùn)行在多線程的環(huán)境中，該方案是***的么，將會(huì)有什么后果呢？
后果就是會(huì)造成內(nèi)存泄漏，并且有可能前后獲取的Singleton對(duì)象不一樣（原因請(qǐng)自己思考，后面有解答）。
為了解決這個(gè)問(wèn)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(yùn)行在多線程環(huán)境下內(nèi)存泄漏的問(wèn)題，但帶來(lái)的結(jié)果是，當(dāng)m_mutex被鎖定時(shí)，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(jià)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(méi)有問(wèn)題了么？NO!!!!該方案帶來(lái)的結(jié)果同解一，原因也一樣，都將造成內(nèi)存泄漏。此時(shí)“雙檢測(cè)鎖定”模式就粉墨登場(chǎng)了。
由Doug Schmidt和Tim Harrison提出了“雙檢測(cè)鎖定”(Double-Checked Locking)模式來(lái)解決multithread singletons問(wèn)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(qǐng)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?；卮疬€是NO!!!(各位看官是否已經(jīng)郁悶了啊，這不是玩我啊？請(qǐng)耐心點(diǎn)，聽我細(xì)細(xì)到來(lái)^_^)
如果在RISC機(jī)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?yàn)?**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(lái)，我們引以為自豪的“雙檢測(cè)鎖定”居然沒(méi)有起作用( L)
怎么辦？解決唄。怎么解決？簡(jiǎn)單，我們?cè)趍_pInstance前面加一個(gè)修飾符就可以了。什么修飾符呢?……
àvolatile(簡(jiǎn)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(jiǎn)單也最復(fù)雜的地方了。
為什么說(shuō)它簡(jiǎn)單？我們根本可以不理睬創(chuàng)建的對(duì)象m_pInstance的銷毀啊。因?yàn)殡m然我們一直沒(méi)有將Singleton對(duì)象刪除，但不會(huì)造成內(nèi)存泄漏。為什么這樣說(shuō)呢？因?yàn)橹挥挟?dāng)你分配了累積行數(shù)據(jù)并丟失了對(duì)他的所有reference是，內(nèi)存泄漏才發(fā)生。而對(duì)Singleton并不屬于上面的情況，沒(méi)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(dāng)一個(gè)進(jìn)程結(jié)束后，將自動(dòng)將該進(jìn)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(shí)泄漏還是存在的，那是什么呢？就是資源泄漏。比如說(shuō)如果該Singleton對(duì)象管理的是網(wǎng)絡(luò)連接，OS互斥量，進(jìn)程通信的handles等等。這時(shí)我們就必須考慮到Singleton的銷毀了。談到銷毀，那可是一個(gè)復(fù)雜的課題（兩天三夜也說(shuō)不完^_^ 開玩笑的啦，大家輕松一下嘛）。
我們需要在恰當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)，恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)刪除Singleton對(duì)象，并且還要在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)創(chuàng)建或者重新創(chuàng)建Singleton對(duì)象。
在我們的“解二”中，在程序結(jié)束時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用Singleton的析構(gòu)函數(shù)，那么也將自動(dòng)釋放所獲取的資源。在大多數(shù)情況下，它都能夠有效運(yùn)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(duì)象不應(yīng)該創(chuàng)建。對(duì)后面一條，我們的Singleton創(chuàng)建時(shí)就可以滿足。
在前面我們已經(jīng)說(shuō)到，在產(chǎn)生一個(gè)對(duì)象時(shí)（非用new產(chǎn)生的對(duì)象），由編譯器自動(dòng)調(diào)用了atexit(__DestroyObject)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該對(duì)象的析構(gòu)操作。而C++對(duì)象析構(gòu)是LIFO進(jìn)行的，即先產(chǎn)生的對(duì)象后摧毀。
如果在一般情況下調(diào)用了log對(duì)象，然后開始銷毀對(duì)象。按照“后創(chuàng)建的先銷毀”原則：log對(duì)象將被銷毀，然后display對(duì)象開始銷毀。此時(shí)display在銷毀發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常，于是調(diào)用log對(duì)象進(jìn)行記錄。但事實(shí)上，log對(duì)象已經(jīng)被銷毀，那么調(diào)用log對(duì)象將產(chǎn)生不可預(yù)期的后果，此問(wèn)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(wèn)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(qǐng)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(gè)地址上構(gòu)造一個(gè)新對(duì)象。
這是解決Dead Reference方法之一。如果此時(shí)keyboard或者display對(duì)象也需要處理Dead Reference問(wèn)題時(shí)，那么上面的OnDeadReference將被頻繁調(diào)用，效率將會(huì)很低。即該問(wèn)題為：需要提供一種解決方案，用于處理對(duì)象的建立過(guò)程可以不按照“先創(chuàng)建會(huì)銷毀”的原則，而應(yīng)該為其指定一個(gè)銷毀順序。
聰明的Andrei Alexandrescu提出了一個(gè)“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(gè)對(duì)象后，將該對(duì)象放入到一個(gè)鏈表中（該鏈表是按照銷毀順序排訓(xùn)的），并同時(shí)調(diào)用atexit()注冊(cè)一個(gè)銷毀函數(shù)；該銷毀函數(shù)從鏈表中獲取最需要銷毀的對(duì)象進(jìn)行銷毀。(懶病又犯了L。該模式的實(shí)現(xiàn)請(qǐng)各位看官自行實(shí)現(xiàn)，可以參考《C++設(shè)計(jì)新思維》一書，Andrei Alexandrescu著)。
各位看官，看完本篇后，是否覺(jué)得Singleton還簡(jiǎn)單啦 :)
【編輯推薦】
