設計模式：
設計模式代表了最佳實踐，是軟件開發過程中面臨一般問題的解決方案。 設計模式是一套被反復使用、經過分類、代碼設計總結的經驗。
單例模式也叫單件模式。Singleton是一個非常常用的設計模式，幾乎所有稍微大一些的程序都會使用到它，所以構建一個線程安全並且 高效的Singleton很重要。
1. 單例類保證全局只有一個唯一實例對象。
2. 單例類提供獲取這個唯一實例的接口。
由於要求只生成一個實例，因此我們必須把構造函數的訪問權限標記為protected或private，限制只能在類內創建對象.
單例類要提供一個訪問唯一實例的接口函數（全局訪問點），就需要在類中定義一個static函數，返回在類內部唯一構造的實例。
兩個概念：
懶漢模式 （lazy loading ）：第一次調用GetInstance才創建實例對象，比較復雜
餓漢模式： 程序一運行，就創建實例對象、簡潔高效 ，但有些場景下不適用
方法一：不考慮線程安全，只適用於單線程環境的單例類
定義一個靜態的實例，在需要的時候創建該實例 （懶漢模式）
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{
public:
//獲取唯一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
if (_instance == NULL)
{
_instance = new Singleton();
}
return _instance;
}
static void DelInstance()
{
if (_instance != NULL)
{
delete _instance;
_instance = NULL;
}
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記為protected或private，限制只能在類內創建對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
//指向實例的指針定義為靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
static Singleton* _instance; // 單實例對象
int _data; //單實例對象中的數據
};
// 靜態成員在類外初始化
Singleton* Singleton::_instance = NULL;
這種方法是最簡單、最普遍的方法。只有在_instance為NULL的時候才會創建一個實例以避免重復創建。同時我們把構造函數定義為私有函數，這樣就能確保只創建一個實例。
但是上述的代碼在單線程的時候工作正常，在多線程的情況下就有問題了。
設想如果兩個線程同時運行到判斷_instance是否為NULL的 if 語句那裡，並且_instance之前並未創建時，這兩個線程各自就都會創建一實例，這是就無法滿足單例模式的要求了。
方法二：能在多線程環境下工作，但是效率不高
為了保障在多線程環境下只得到一個實例，需要加一把互斥鎖。把上述代碼稍作修改，即：
ps: 下面部分的加鎖使用了C++11庫的互斥鎖
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{
public:
//獲取唯一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
//lock(); //C++中沒有直接的lock()
//RAII
//lock lk;
_sMtx.lock(); //C++11
if (_instance == NULL)
{
_instance = new Singleton();
}
//unlock();
_sMtx.unlock();
return _instance;
}
static void DelInstance()
{
if (_instance != NULL)
{
delete _instance;
_instance = NULL;
}
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記為protected或private，限制只能在類內創建對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
//指向實例的指針定義為靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
static Singleton* _instance; // 單實例對象
int _data; // 單實例對象中的數據
static mutex _sMtx; // 互斥鎖
};
// 靜態成員在類外初始化
Singleton* Singleton::_instance = NULL;
mutex Singleton::_sMtx;
設想有兩個線程同時想創建一個實例，由於在一個時刻，只有一個線程能得到互斥鎖，所以當第一個線程加上鎖後，第二個線程就只能等待。當第一個線程發現實例還沒有創建時，它就建立一個實例。接著第一個線程釋放鎖，此時第二個線程進入並上鎖，這個時候由於實例已經被第一個線程創建出來了，第二個線程就不會重復創建實例了，這樣就保證在多線程環境下只能得到一個實例。
但是，每次獲取唯一實例，程序都會加鎖，而加鎖是一個非常耗時的操作，在沒有必要的時候，我們要盡量避免，否則會影響性能。
方法三：使用雙重檢查，提高效率，避免高並發場景下每次獲取實例對象都進行加鎖，並使用內存柵欄防止重排
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{
public:
//獲取唯一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
// 使用雙重檢查，提高效率，避免高並發場景下每次獲取實例對象都進行加鎖
if (_instance == NULL)
{
std::lock_guard<std::mutex> lck(_sMtx);
if (_instance == NULL)
{
// tmp = new Singleton()分為以下三個部分
// 1.分配空間2.調用構造函數3.賦值
// 編譯器編譯優化可能會把2和3進行指令重排，這樣可能會導致高並發場景下，其他線程獲取到未調用構造函數初始化的對象
// 以下加入內存柵欄進行處理，防止編譯器重排柵欄後面的賦值到內存柵欄之前
Singleton* tmp = new Singleton();
MemoryBarrier();
_instance = tmp;
}
}
return _instance;
}
static void DelInstance()
{
if (_instance != NULL)
{
delete _instance;
_instance = NULL;
}
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記為protected或private，限制只能在類內創建對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
//指向實例的指針定義為靜態私有，這樣定義靜態成員函數獲取對象實例
static Singleton* _instance; // 單實例對象
int _data; // 單實例對象中的數據
static mutex _sMtx; // 互斥鎖
};
// 靜態成員在類外初始化
Singleton* Singleton::_instance = NULL;
mutex Singleton::_sMtx;
試想，當實例還未創建時，由於 Singleton == NULL ，所以很明顯，兩個線程都可以通過第一重的 if 判斷 ，進入第一重 if 語句後，由於存在鎖機制，所以會有一個線程進入 lock 語句並進入第二重 if 判斷 ，而另外的一個線程則會在 lock 語句的外面等待。而當第一個線程執行完 new Singleton（）語句退出鎖定區域，第二個線程便可以進入 lock 語句塊，此時，如果沒有第二重Singleton == NULL的話，那麼第二個線程還是可以調用 new Singleton（）語句，第二個線程仍舊會創建一個 Singleton 實例，這樣也還是違背了單例模式的初衷的，所以這裡必須要使用雙重檢查鎖定（第二層if 判斷必須存在）。
多數現代計算機為了提高性能而采取亂序執行，這使得內存柵欄成為必須。barrier就象是代碼中的一個柵欄，將代碼邏輯分成兩段，barrier之前的代碼和barrier之後的代碼在經過編譯器編譯後順序不能亂掉。也就是說，barrier之後的代碼對應的匯編，不能跑到barrier之前去，反之亦然。之所以這麼做是因為在我們這個場景中，如果編譯器為了搾取CPU的performace而對匯編指令進行重排，其它線程獲取到未調用構造函數初始化的對象，很有可能導致出錯。
只有第一次調用_instance為NULL，並且試圖創建實例的時候才需要加鎖，當_instance已經創建出來後，則沒必要加鎖。這樣的修改比之前的時間效率要好很多。
但是這樣的實現比較復雜，容易出錯，我們還可以利用餓漢模式，創建相對簡潔高效的單例模式。
方法四：餓漢模式--簡潔、高效、不用加鎖、但是在某些場景下會有缺陷
因為靜態成員的初始化在程序開始時，也就是進入主函數之前，由主線程以單線程方式完成了初始化，所以靜態初始化實例保證了線程安全性。在性能要求比較高時，就可以使用這種方式，從而避免頻繁的加鎖和解鎖造成的資源浪費。
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{
public:
//獲取唯一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
assert(_instance);
return _instance;
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記為protected或private，限制只能在類內創建對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
static Singleton* _instance; // 單實例對象
int _data; // 單實例對象中的數據
};
Singleton* Singleton::_instance = new Singleton;
代碼實現非常簡潔。創建的實例_instance並不是在第一次調用GetInstance接口函數時才創建，而是在初始化靜態變量的時候就創建一個實例。如果按照該方法會過早的創建實例，從而降低內存的使用效率。
方法五：方法四還可以再簡化點
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{
public:
//獲取唯一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
static Singleton instance;
return &instance;
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
protected:
//構造函數標記為protected或private，限制只能在類內創建對象
Singleton()
:_data(5)
{}
//防拷貝
Singleton(const Singleton&);
Singleton operator=(const Singleton&);
private:
int _data; // 單實例對象中的數據
};
實例銷毀
此處使用了一個內部GC類，而該類的作用就是用來釋放資源
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//帶RAII GC自動回收實例對象的方式
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class Singleton
{
public:
// 獲取唯一對象實例的接口函數
static Singleton* GetInstance()
{
assert(_instance);
return _instance;
}
// 刪除實例對象
static void DelInstance()
{
if (_instance)
{
delete _instance;
_instance = NULL;
}
}
void Print()
{
cout << _data << endl;
}
class GC
{
public:
~GC()
{
cout << "DelInstance()" << endl;
DelInstance();
}
};
private:
Singleton()
:_data(5)
{}
static Singleton*_instance;
int _data;
};
// 靜態對象在main函數之前初始化，這時只有主線程運行，所以是線程安全的。
Singleton* Singleton::_instance = new Singleton;
// 使用RAII，定義全局的GC對象釋放對象實例
Singleton::GC gc;
在程序運行結束時，系統會調用Singleton中GC的析構函數，該析構函數會進行資源的釋放。
