A.14. 单例设计模式

世界上存在许多设计模式。设计模式本身是一个独立的主题，代表了人们在抽象层面上总结出的解决问题的经典方法。这些方法可以命名、传授给他人，并根据所选编程语言的特性和习惯用法具体实现出来。

单例(Singleton)设计模式描述了我们如何编写一个类，使其在整个程序中只实例化一次。

单例并不是一个广受喜爱的模式：使测试变得困难，引入了对全局状态的依赖，在程序中形成了一个单点故障和潜在的全局瓶颈；如果单例是可变的，还会使多线程编程变得更加复杂(因为其状态需要同步)等。但尽管如此，它仍然有其用途，在实际中广泛使用，本书中也偶尔会用到它。

在 C++ 中，有多种方式可以实现一个在整个程序中只被实例化一次的类。它们都具有以下几个关键特征：

类型的复制操作必须删除。如果允许复制单例对象，就会出现多个该类型的实例，这与单例的本质矛盾。
不应有公有构造函数。如果存在公有构造函数，使用端代码就可以调用它来创建多个实例。
不应有受保护的成员。从概念上讲，派生类的对象也是基类的对象，这同样会导致出现多个单例实例的矛盾(实际上就会存在多个实例！)。
由于没有公有构造函数，因此应该有一个私有构造函数(通常是一个默认构造函数)，并且只能被类自身或它的友元(如果有的话)访问。为了简化问题，假设访问单例的方式通过该单例类的一个静态(显然是静态的)成员函数来完成。

我们将探讨在 C++ 中实现一个过于简单的单例(singleton)的方法。为了说明这个例子，该单例将按需提供递增的整数值。该类的基本思路如下：

#include <atomic>

class SequentialIdProvider {
  // ...
  std::atomic<long long> cur; // 状态(已同步)

  // 默认构造函数(私有)
  SequentialIdProvider() : cur{ 0LL } {
  }

public:
  // 单例提供的服务(已同步)
  auto next() { return cur++; }

  // 删除复制操作
  SequentialIdProvider(const SequentialIdProvider&) = delete;
  SequentialIdProvider& operator=(const SequentialIdProvider&) = delete;
  // ...
}

以下两个小节展示了创建和访问该单例的两种不同技术。

A.14.1 程序启动时的实例化

实现单例的一种方法是在 main() 函数开始之前就创建，具体做法是将其定义为其类的一个静态数据成员。这要求在类中声明该单例，并在一个单独的源文件中对其进行定义，以避免违反 ODR 原则。

什么是 ODR？

ODR(One Definition Rule，单一定义规则)及相关问题在本书第 2 章中有描述，其核心思想是：在 C++ 中，每个对象可以有多个声明，但只能有一个定义。

一个可能的实现如下所示：

#include <atomic>

class SequentialIdProvider {
  // 声明(私有)
  static SequentialIdProvider singleton;

  std::atomic<long long> cur; // 状态(已同步)

  // 默认构造函数(私有)
  SequentialIdProvider() : cur{ 0LL } {
  }
public:
  // 静态成员函数，提供对对象的访问
  static auto & get() { return singleton; }

  // 单例提供的服务(已同步)
  auto next() { return cur++; }

  // 删除复制操作
  SequentialIdProvider(const SequentialIdProvider&) = delete;
  SequentialIdProvider& operator=(const SequentialIdProvider&) = delete;
  // ...
};

// 在某个源文件中，例如 SequentialIdProvider.cpp
#include "SequentialIdProvider.h"

// 定义(调用默认构造函数)
SequentialIdProvider SequentialIdProvider::singleton;

只要各个全局对象之间没有依赖关系，这种实现方式就能很好地工作且效率较高。如果程序中的另一个单例需要访问 SequentialIdProvider 的服务，就可能会出现问题，因为 C++ 并不保证来自多个文件的全局对象的实例化顺序。

该实现的可能使用端代码如下所示：

auto & provider = SequentialIdProvider::get();
for(int i = 0; i != 5; ++i)
  cout << provider.next() << ' ';

这将输出单调递增的整数值，可能连续(只要没有其他线程并发地调用该单例的服务)。

A.14.2 首次调用时的实例化

另一种实例化单例的方式是：在第一次请求其服务时创建，具体做法是将单例实现为一个提供对其访问的函数中的静态变量。这样一来，由于静态局部变量是在函数第一次调用时创建，并在其后保持其状态，因此只要不会形成循环依赖，该单例就可以为其他单例提供服务。

一个可能的实现如下所示：

#include <atomic>

class SequentialIdProvider {
  std::atomic<long long> cur; // 状态(已同步)

  // 默认构造函数(私有)
  SequentialIdProvider() : cur{ 0LL } {
  }

public:
  // 静态成员函数，提供对对象的访问
  static auto & get() {
    static SequentialIdProvider singleton; // 定义(静态局部变量，保证线程安全的初始化)
    return singleton;
  }

  // 单例提供的服务(已同步)
  auto next() { return cur++; }

  // 删除复制操作
  SequentialIdProvider(const SequentialIdProvider&) = delete;
  SequentialIdProvider& operator=(const SequentialIdProvider&) = delete;
  // ...
}

该实现的可能使用端代码如下所示：

auto & provider = SequentialIdProvider::get();
for(int i = 0; i != 5; ++i)
  cout << provider.next() << ' ';

这将输出单调递增的整数值，可能连续(只要没有其他线程并发地调用该单例的服务)。

这个版本有一个隐藏的开销：函数内部的静态变量在 C++ 中被称为“魔法静态变量”(magic statics)，因为语言保证它们只会构造一次，即使有多个线程同时调用该函数。这一特性说明对该静态变量的访问会涉及一些同步机制，并且这种同步开销会在每次调用该函数时都发生。

前面的使用端代码通过只调用一次 SequentialIdProvider::get()，之后重复使用该调用返回的引用，从而减轻了这一开销；真正引入同步开销的，是对 get() 的调用。

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