单例模式中的隐藏陷阱：你真的了解单例吗？

引言

  单例模式是日常开发中较常用的一种设计模式，它能够确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问入口。

  在之前的开发过程中，观察到进程退出时偶现 crash 现象。由于该问题仅发生在生命周期末端且未影响核心功能，并未深入排查原因。
近期看到技术公众号分析单例模式潜在问题的，意识到此前的crash大致就是因此导致的。

场景列举

问题
先看代码，看看执行会发生什么？

main 函数

• 首先获取 SingletonB 的实例。
• 然后获取 SingletonA 的实例。
• 最后输出退出信息。

c++
 代码解读
复制代码
int main() {
    SingletonA::getInstance();
    SingletonB::getInstance();
    std::cout << "exe exit!" << std::endl;
    return 0;
}

单例类 SingletonB

• SingletonB 类使用静态局部变量 instance 来确保只有一个实例。
• 构造函数中，mpBuf 分配了内存，并将字符串 "hello" 复制到该内存中。
• 析构函数中，释放了 mpBuf 所占用的内存，并置为nullptr。

c++
 代码解读
复制代码
// 单例B
class SingletonB {
public:
    ~SingletonB() {
        std::cout << "SingletonB destroyed." << std::endl;
        delete []mpBuf;     // 回收资源
        mpBuf = nullptr;
    }

    static SingletonB* getInstance() {
        static SingletonB instance;
        return &instance;
    }
    void doSomething() {
        printf("mpBuf[0] = %c\n", mpBuf[0]);
    }

private:
    SingletonB() {
        std::cout << "SingletonB created." << std::endl;
        mpBuf = new (std::nothrow) char[10];   // 创建资源
        memcpy(mpBuf, "hello", 5);
        mpBuf[5] = '\0';
    }

private:
    char *mpBuf;
};

单例类 SingletonA

• SingletonA 类同样使用静态局部变量 instance 来确保只有一个实例。
• 构造函数中，简单输出创建信息。
• 析构函数中，调用 SingletonB 的 doSomething 接口。

cpp
 代码解读
复制代码
// 单例A
class SingletonA {
private:
    SingletonA() {
        std::cout << "SingletonA created." << std::endl;
    }
    ~SingletonA() {
        std::cout << "SingletonA destroy begin. call A" << std::endl;
        SingletonB::getInstance()->doSomething();
        std::cout << "SingletonA destroyed end." << std::endl;
    }


public:
    static SingletonA* getInstance() {
        static SingletonA instance;
        return &instance;
    }
};

输出

程序在退出时，发生crash了。

c++
 代码解读
复制代码
$ ./a.out 
SingletonA created.
SingletonB created.
exe exit!
SingletonB destroyed.
SingletonA destroy begin. call A
Segmentation fault

代码分析

 上述的实现，很明显可以看出因为调用了已析构的对象，导致异常crash。

 但是在实际项目开发过程中，单例模式的调用分散在各个文件中，由于初始化顺序难以控制，很容易出现调用已析构对象的情况，进而导致程序崩溃。这类问题一旦发生，往往难以迅速定位和解决。

  看看AI怎么评价这段代码：

c++
 代码解读
复制代码
Me: 魔镜啊魔镜，上述代码有什么问题？

魔镜：来了，老弟！这代码毛病可不小呐~
     那 `SingletonA` 析构的时候，还跑去调用 `SingletonB` 的方法。
     程序结束的时候，静态对象是后构造的先析构，这 SingletonB 不妥妥先析构了，mpBuf也回收了。
     SingletonA 再去调用 SingletonB::doSomething，指定下机啊！
     哪个损粗写的这代码呐！回炉重造吧，赶紧的啊~
  
Me: 乡村爱情看多了吧你，口音听的上头。
    正经点，那怎么规避这类问题？

魔镜：闲来无事，网上爬了几集，真好看~
    有很多种方式可以避免这种问题，我就说两种，好好听，好好学！
  
    ① 避免单例对象析构，如下写法：
    SingletonA* SingletonA::getInstance() {
        static SingletonA *instance = new (std::nothorw) SingletonA();
        return instance;
    }
  
    ② 增加全局变量，检测对象是否析构。每次获取实例时，特别是析构中获取单例时，先判空。
    static std::atomic<bool> gObjAlive(true);
    
    SingletonA::~SingletonA() {
        gObjAlive = false;
    }
  
    SingletonA* SingletonA::getInstance() {
        if (!gObjAlive) {
            return nullptr;
        }
  
        static SingletonA instance;
        return &instance;
    }

  通过与AI的友好沟通，规避的方案有很多。上述的两种方案，各有利弊：

• 第一种方案
  优点：写法简洁。
  缺点：由于不会调用析构函数，除内存会随进程退出释放外，析构函数中涉及的硬件资源释放等操作无法执行，可能引发潜在问题。
• 第二种方案
  优点：安全性较高，可自动释放所持资源。
  缺点：用时不够便捷，每次调用单例对象（尤其是在析构阶段）都需要进行判空操作。

总结

• 结合全文，crash的问题根源在于单例析构函数中调用其他单例对象的接口。
  进程退出阶段，全局单例对象的析构顺序未明确，可能导致调用了已释放的单例对象接口，引发crash。
• 尽管可以通过控制单例调用的顺序来规避此类问题。但这种方式并非最优解，而且大型项目中难以实施。另外，程序健壮性不应依赖这种非确定性的语言特性，而应通过设计优化从根本上避免此类问题。
• 最后，代码运行的行为和结果应是可预见的，不应依赖特殊操作或非确定性行为。若有此类依赖，应是程序设计缺陷，该加以优化。