动机
在软件系统中，经常有一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例，才能确保它们的逻辑正确性，以及良好的效率。
如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只有一个实例？
这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。
单例模式代码举例：把构造函数设置为private
class Singleton{
private:Singleton();Singleton(const Singleton& other);
public:static Singleton* getInstance();static Singleton* m_instance;
};Singleton* Singleton::m_instance=nullptr;//线程非安全版本
Singleton* Singleton::getInstance() {if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}return m_instance;
}//线程安全版本，但锁的代价过高
Singleton* Singleton::getInstance() {Lock lock;if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}return m_instance;
}//双检查锁，但由于内存读写reorder不安全
Singleton* Singleton::getInstance() {if(m_instance==nullptr){Lock lock;if (m_instance == nullptr) {m_instance = new Singleton();}}return m_instance;
}//C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)
std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;Singleton* Singleton::getInstance() {Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);//获取内存fenceif (tmp == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);if (tmp == nullptr) {tmp = new Singleton;std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);//释放内存fencem_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);}}return tmp;
}
单例模式定义
保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
在单例模式中使用双检查锁(DCL，Double-Checked Locking)时，可能会遇到一些问题，特别是在多线程环境下。在C++11之前的版本中，由于缺少内存栅栏(memory barrier)的支持，可能导致DCL失效，从而造成线程安全性问题。
问题导致原因：
正确对象的创建过程是先调用构造对象，后进行内存分配，但是单例在进行创建对象时，在一些编译器和硬件架构中，对于指令的执行顺序可能会发生重排序，导致在实例化对象时，成员变量的内存分配可能在对象构造之前，从而使其他线程在获取到非空但尚未构造完全的对象。
在C++11及以后的版本中，引入了std::atomic等特性，可以更好地保证内存可见性和顺序性，从而避免了上述问题。因此，如果在C++11及以后的环境中，使用std::atomic可以解决DCL的一些问题。
// Singleton.h
#pragma once#include <atomic>
#include <mutex>class Singleton {
public:// 获取单例实例的静态方法static Singleton* Instance();private:// 私有构造函数，确保单例不能通过其他方式实例化Singleton() {}private:// 使用std::atomic提供的原子操作，确保多线程环境下的安全性static std::atomic<Singleton*> m_instance;// 用于保护实例化过程的互斥锁static std::mutex m_mutex;
};// Singleton.cpp
#include "Singleton.h"// 初始化静态成员变量
std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance(nullptr);
std::mutex Singleton::m_mutex;Singleton* Singleton::Instance() {// 使用std::atomic加载实例，确保内存可见性Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);if (tmp == nullptr) {// 使用互斥锁保护实例化过程std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);if (tmp == nullptr) {// 实例化单例对象tmp = new Singleton;// 使用内存顺序和std::atomic_thread_fence确保内存可见性和顺序性std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);// 存储单例对象的指针m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);}}return tmp;
}这里，使用std::atomic提供的内存顺序和std::atomic_thread_fence来保证正确的内存可见性和顺序性。在C++11及以后的环境中，这种方式是相对安全的。
使用atomic类可以确保在多线程环境下，对共享数据的操作不会导致数据的错误修改或不一致的状态。这对于编写线程安全的并发代码非常重要。